CC BY
36
---------------------------------- © Ю.Ф. Васючков, М. В. Павленко,
2005
УДК 534.232
Ю. Ф. Васючков, М.В. Павленко
КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА УГОЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ
ТТ ромышленные испытания метода
АЛ гидрорасчленения угольных пластов через скважины с поверхности, разработанного учеными Московского горного института, были начаты в середине шестидесятых годов. Метод воздействия на газонасыщенный угольный массив заключался в использовании энергии сжатой жидкости в передачей ее столбу воды в скважину для раскрытия, расширения, а также создания новых трещин в угольном массиве.
Изучение влияния гидровоздействия произведено нами на выбросоопасных, газоносных угольных пластах крутого падения разрабатывающих угли марки К, в Донецком угольном бассейне.
Воздействия в процессе гидрорасчленения выбросоопасность угольного массива снижают до 60%, поэтому появилась необходимость в управлении этим процессом, т.к. места повышенных напряжений в угольном массива вследствие неоднородности горного давления и повышенного содержания в нем метана вода обходит, при этом образуя участки. Процесс гидрорасчленения наиболее полно характеризует коэффициент приемистости угольного крутопадающего пласта. Снижение коэффициента приемистости происходило в результате заполнения раскрытых в процессе гидрорасчленения трещин жидкостью, а повышение происходило за счет вновь раскрытых и расширенных трещин.
Следовательно, после снижения коэффициента фильтрации пласта необходимо применение следующей стадии воздействия - вибровоздействия для создания дополнительного знакопеременного давления в трещинах и порах пласта для увеличения трещиноватости и глубины пропитки угольного пласта.
На поле шахты им. К.А. Румянцева через скважины № 1,2,3 выполнено гидрорасчлене-
ние пластов (табл. 1). При этом исследованы зависимости коэффициента приемистости пласта от времени, темпа и объема закачки жидкости. Из-за отличий в свойствах угольных пластов и боковых пород коэффициент приемистости колеблется от 0,1 10-4 до 0,69 дм3/кгс-с, т.к. на этом участке залегают пласты с повышенным напряжением.
В процессе гидрорасчленения пластов через скв. № 1 установлено, что между давлением на забое скважины и темпом гидрорасчленения существует зависимость, подобная параболической. В процессе эксперимента в воду было добавлено ХАВ - раствор соляной кислоты, т.к. в пласте были карбонатные включения. Подача такого раствора в угольный пласт позволяла растворить эти включения, при этом увеличить зияние трещин и газопроводящих пор. Снижение давления при гидрорасчленении пластов происходило по мере подачи 2-3 %-го водного раствора соляной кислоты.
На основе теории статики связанного метана с углем и переноса метана в микропорах развитой проф. Ю.Ф. Васючковым [1, 2], энергия сорбционного взаимодействия может быть посчитана для кристаллических структур. Структура кристаллитов ископаемого угля, конечно, отличается от правильной кристаллической решетки, тем не менее, сорбционный объем его, состоит из пор размером до 3-5 нм. Естественно, на таком уровне в первом приближении можно говорить о том, что и в ископаемом угле качественно справедливы закономерности дисперсионного взаимодействия молекул сорбатов с гексагональной структурой макромолекул угля [2].
Сорбционный потенциал молекулы сорба-та, находящейся над базисной углеродной гексагональной решеткой, описывается уравнением Леннард-Джонса:
Таблица 1
Показатели гидрорасчленения
№№ скв. Индекс Пласта Темп закачки дм3/с Давление на устье скв. МПа Рабочая жидкость Объем рабочей жидкости, тыс. м3
тіп тах тіп тах
1 Ш2 33 44 18,0 21,0 Вода 3.2
Ш3 33 66 10,0 18,0 Вода, водный раствор соляной кислоты 5,85+0,098 м3 ИСЬ,3%
т 4 33 44 20,0 22,0 Вода 1,6
2 іб 6 16 32,0 45,0 Вода, водный раствор соляной кислоты 7,15+0,6м3 ИСЬ,2%.
ін 20 21.8 29,0 31,0 Вода 1,01
17 5 12 30,0 44,0 Вода, водный раствор соляной кислоты 5,5+0,5м3 ИСЬ,2%
т1 22 34.8 15,0 18,0 Вода 1,053
т2 45 58 27,0 30,0 Вода 4,13
т3 6 30 34,0 39,0 Вода, загуститель 7,05+0,125 м3 КаОИ, 4%, крахмал, 4%
Печ.сл. 21 33 33,0 35,0 Вода 0,8
3 Песч.сл. 18 35 20,0 22,5 Вода 2,5
Песч.сл. 18 35 19,0 22,0 Вода 7,0
Л = -С X ^ + ВХ г
Дж
(1)
где С - константа дисперсионного притяжения, определяется по формуле Криквуда-Мюллера (наилучшее приближение к опытным данным).
а ТТ 6 \
Дж * м (2)
С = -6тс
связей молекулы сорбата с молекулами решетки.
Уравнение (1) решено с учетом того, что в соответствии с теорией потенциал притяжения составляет 35 % (30-40 %) от потенциала отталкивания. Тогда для одного моля газа (1) сводится к виду
О/ +а2
/Хі /Хі
где т - масса электрона, т = 9,1-10'31кг; с -скорость света, с = 3-108м/с, а1, а2 - поляризуемости молекул соответственно сорбента и сорбата, м3; Х1Л2 - диамагнитные восприимчивости тех же молекул, м3; В - константа, характеризующая силы отталкивания между молекулами, Дж-м12; г - расстояние от центра молекулы сорбата до центров атомов (молекул) решетки сорбента, м; п - число учитываемых
і = -0.65Ма - СXГ 6, Дж/моль
(3)
Здесь Ма - число Авогадро, моль- .
Для исследования приняты молекулы метана, воды, хлористого водорода и углекислого газа. Выбор этих сорбатов объясняется тем, что, именно эти вещества при воздействии на угольный массив могут обеспечивать наибольший эффект в части интенсификации скорости газоотдачи.
В табл. 2 приведены исходные значения
Таблица 2
Исходные значения констант уравнения (3)
Сорбат Поляризуемость молекул, а 1036м3 Диамагнитная восприимчивость молекул, Х 1036, м3 Температу- т/»0 ра, К Константа дисперсионного притяжения С^а*105 , Дж*м5/моль
Метан 2,60 -26,57 269 3,87
Вода 1,49 -21,58 293 2,62
Хлористый водо- 3,10 -34,43 300 4,03
род
Углекислый газ 2,90 -30,90 293 4,41
/=1
констант уравнения (3) [2].
При составлении табл. 2. в области указанных температур приняты следующие значения для углерода а = 0,94-10-30 м3 и %=-10,54-10'36 [2].
Для каждого сорбата энергию взаимодействия рассчитывали для трех положений: 1-молекула находится в центре бензольного кольца, 2-молекула располагается над кольцом между соседними атомами углерода и 3-молекула находится непосредственно над атомом углерода (рис. 1). Координаты каждого положения в плоскости ХОУ следующие: 1-{0,060; 0,000}; 2-{0,121;0,060}; 3-{0,121;
0,070}. Расстояние между соседними атомами углерода в бензольном кольце составляет 0,139 нм.
Данными табл. 3 полностью заданы необходимые условия для вычисления энергии взаимодействия исследуемых сорбатов с углем в функции удаления ъ от плоскости гексагональной решетки.
На рис. 2 представлены зависимости ф(ъ) метана и хлористого водорода для трех цен-
Рис. 1. Моделирование дисперсионного взаимодействия связанньх молекул метана с кристаллитами угля: гі -расстояние от центра молекул сорбата до центра атомов (молекул) решетки сорбента; Ті- угол в функции удаления ъ от плоскости гексагональной решетки
тров адсорбция. Функции ф(ъ) во-
ды и углекислого газа имеют аналогичный характер. Обращает внимание быстрое убывание потенциала дисперсионного взаимодействия и его выравнивание для различных положений центров адсорбции при ъ>0,6^0,8 нм.
Сущность физико-
химического способа дегазации угольного массива заключается в комплексе мер, использующих химически- активные вещества (ХАВ), а также жидкости, меняющие свое фазовое состояние, которые за счет химических реакций и поверхностных явлений на разделе фаз обеспечивают перестройку пористо-трещиноватой структуры, приводят к изменению газоемкости и в конечном итоге - к интенсификации газовыделения из угля [2]. Нагнетание ХАВ производят в жидком состоянии при определенной концентрации.
Промышленные испытания физико-
химических способов интенсификации дегазации угольных пластов с использованием гидрорасчленения через скважины с поверхности произведены на поле шахты им. К.А. Румянцева (скв. № 1) и через подземные скважины на поле шахты им. XVII Партсъезда Донецкого бассейна. Таким образом, работами были охвачены характерные газоносные участки.
Угли пластов т3 и к2—к2-2 шахты им. К. А. Румянцева и шахты им. XVII Партсъезда имеют довольно постоянный качественный состав. Газоносность пластов составляет 15—30
Таблица 3
Минимальная высота молекулы сорбата от плоскости углеродной решетки А0
Сорбат Эффективный диаметр молекулы, нм Минимальная высота в положениях 1,2,3
2'шіп(1) ^шіп(2) 2'шіп(3)
СН4 0,415 0,351 0,370 0,377
Н2О 0,469 0,381 0,390 0,405
НС1 0,272 0,273 0,298 0,306
СО2 0,650 0,476 0,490 0,495
,, кДж/мош
фе, кДж/мол
м3/т.г.м. Из разрабатываемых пластов выделяется до 50—70 % метана. Особенно высока га-зообильность выработок пласта к2-2 (до 50 м3/т).
При гидрорасчленении пласта т2, т3 из скв.№ 2 на поле шахты им. К.А. Румянцева ПО «Артемуголь» Донецкой области в пласт было закачано 1520 м3 рабочей жидкости, в том числе 13,9 т товарной соляной кислоты концентрации 24 %. Концентрация кислоты в растворе при подаче в пласт составляла 2—4 %. В скважину кислота подавалась порциями по 20—30 м3 со средним темпом нагнетания 50 дм3/с. Максимальный темп закачки составил 90 дм3/с. Расход солянокислотного раствора не отличался от расхода воды и составлял в среднем 65 дм3/с, а максимальный — 90 дм3/с.
В дальнейшем технология физикохимических обработок была усовершенствована: эквивалентность количества кислоты содержанию растворимых минералов в пласте и
Рис. 2. Энергия дисперсионной связи метана (а) и хлористого водорода (6) с углеродной решеткой: ^ПДП- положение молекулы; пунктиром - положение молекулы при вибровоздействиии
соответствие темпов нагнетания растворов гидравлическим свойствам и состоянию пласта. В Донецком бассейне эта технология испытывалась на поле шахты им. XVII Партсъезда с использованием порционной обработки.
Концентрация соляной кислоты, подаваемой в пласт, во всех пластооперациях была достаточно стабильной (2-6 %).
При анализе режимов внедрения растворов соляной кислоты в угольный пласт через скважины с поверхности следует выделить, что темп нагнетания соляно-кислот-ного раствора в порции принимали одинаковым с темпом нагнетания водной порции (скв. №» 2, шахта им. К.А. Румянцева ПО «Артемуголь») для стабилизации концентрации кислотного раствора при движении его к удаленным от скважины зонам пласта.
Выбор меняющегося от порции к порции темпа нагнетания обусловливался необходимостью более полного насыщения пористой структуры угля раствором и раскрытия повышенного числа систем трещин в удаленных от скважин зонах пласта.
Для увеличения проницаемости угольного массива и степени пропитки нами предложен метод волнового воздействия после ранее проведенного гидрорасчленеия [3].
Проведенные экспериментальные исследования в лаборатории МГГУ с использованием воздействия волновых полей на угольное вещество подтверждает возможность роста мета-ноотдачи газоносного угля на разрабатываемых угольных пластах.
Последовательность и направление работ по промышленному исследованию процесса вибровоздействия на угольный пласт с целью интенсификации метаноотдачи состоит в обеспечении:
а)
а) доступа к областям пласта и пластам-спутникам с высокой природной газоносностью;
б) увеличение метаноотдачи из угольного пласта в процессе вибровоздействия в 5-8 раз;
в) достижение глубокой дегазации обрабатываемой угленосной толщи.
Экспериментальные исследования по интенсификации метаноотдачи из угольного пласта в подземных условиях проводили в Донбассе на поле шахты им. 17 Партсъезда ПО «Шахтерскантрацит».
Для создания в пробуренном шпуре интенсивного вибрационного поля на конце штанги укреплялась изготовленная специальная конструкция (эксцентрик) позволяющая создавать эффективное волновое поле в зоне обрабатываемого участка пласта (рис. 3).
По скорости газовыделения установлено, что в необработанной зоне начальная скорость газовыделения составляла 0,25 л/мин, на участке воздействия эта величина повышалась до 0,5-0,6 л/мин при расстоянии между шпурами 0,8-1,0 м, а при расстоянии 0,25-0,3 м газовы-деление достигало 1,75 л/мин, т.е. было увели-
Рис. 3. Механизм создания вибрационного воздействия в шпуре пробуренном в угольном пласта:
1 - эксцентрик закрепленный на штанге;
2 - поверхность обнажения пласта; 3 -электросверло СЭР-19; 4 - сосуд для сбора штыба
чено в 4-7 раз.
Установлено, что уровень га-зоотдачи возрастает по мере увеличения глубины подачи штанги в пробуренный шпур до определенной глубины и имеет максимальное значение, которое расположено в его средней части.
В выработках, где осуществляется использование пневмоэнергии, вибрационное воздействие может выполняться с применением перфоратора. Данное устройство работает по принципу возвратно-поступа-тельного движения (рис. 4).
Принятый способ вибровоздействия впереди очистного забоя вне зоны влияния опорного давления значительно повышает устойчивость самого шпура в процессе бурения, увеличивает срок его службы и приводит к эффективной газоотдаче в процессе воздействия в зоне отрабатываемого участка пласта.
Результаты промышленных экспериментов позволили определить рациональное расположение шпуров вибровоздействия и газозамерных шпуров на участках воздействия с целью оценки параметров их эффективного расположения для оценки максимального газовыделе-ния угольного пласта (рис. 6, 7).
Для обеспечения охвата наибольшего участка угольного пласта, подвергаемого вибрационному воздействию необходимо определить оптимальное количество буримых шпуров.
После окончания процесса
Рис. 4. Конструкция вибратора в шпуре пласта для создания вибрационного воздействия: 1 - вибратор; 2 - демпфирующая пружина; 3 - дебаланс; 4 - центрирующий стержень; 5 - стенки шпура вибровоздействия
Рис. 5. Схема расположения скважин вибрационного воздействия и дегазации
Таблица 4
Расчет величины амплитудного давления с учетом веса применяемых дебалансов
Вес дебаланса, кГ Глубина скважины, м Число оборотов эл. двигателя, об/мин Величина амплитуды давления, КПа
10 600 237 29, 8
10 700 202 21,63
10 800 177 16,6
10 900 157 13,1
10 1000 143 10,8
вибрационного воздействия осуществляется контроль за состоянием газовыделения из шпуров.
Так конечным результатом процесса вибрационного воздействия угольного пласта, является определение условий метаноотдачи угольным массивом определяемым уровнем падения газовыделения из пласта до естественного.
В результате проведенных экспериментов установлены:
1). Условия максимальной метаноотдачи из угольного массива в процессе вибрационного воздействия угольного пласта.
2). Количество шпуров и их расположение для получения наибольшей метаноотдачи из угольного пласта в процессе вибровоздействия.
3). Технологические схемы с целью создания условий для интенсификации метаноотда-чи из угольного массива, позволяющих перенести полученные результаты на другие горные предприятия.
Вибровоздействие через скважину с дневной поверхности было проведено на поле шахты “Комсомольская” (Воркутинское месторождение) и заключалось в чередовании воздейст-
1 ) при веерном расположении шпуров
Б) при параллельном расположении шпуров
вия через скважину в течении 10-50 часов, выдержке в течении 5-10 часов и в последующем изменении параметров (частоты и амплитуды), обеспечивающее равномерность обработки прискважинной зоны и получения высокой степени метаноотдачи из угольного пласта (табл. 4).
Расчет амплитуды давления осуществляется по следующей формуле:
F= m -l •ro2,sin(rot) (4)
где F - амплитуда давления; ю - частота вращения, рад/с; m - масса дебаланса, кГ, - расстояние до эксцентрика, м.
После каждого периода вибрационного воздействия необходимо выдерживали пласт в течение ^ыдж. = 1,1^1,5^бр. мин., с целью реализации энергии вибровоздействия, что было можно определить по интенсивности поглощения жидкости через скважину.
Энергия волнового воздействия в режимах установленных частот, особенно в период резонанса наиболее полно реализовало условия метаноотдачи системы «уголь-метан» при глубинах более 800-1000 м.
Промышленные испытания различных способов и технологических схем управления свойствами и состоянием массива позволили установить следующие выводы:
• с приближением горных выработок к скважине эффективность физико-химичес-ких обработок возрастает, как правило, на 5-10 %, что свидетельствует о достижении значительной равномерности воздействия на угольный массив;
Рис. 6. Технологическая схема вибрационного воздействия: 1 - шпуры с генератором вибрации и газозамерные шпуры; 2 - линия очистного забоя; 3 -откаточный штрек; 4 - вентиляционный штрек
• расчленение пластов солянокислотным раствором с последующим извлечением метана из пласта обеспечивает снижение газо-обильности подготовительных выработок по сравнению с зонами пластовой дегазации на 28—37 % и достижение коэффициента эффективности дегазации Кд = 0,4—0,5;
• расчленение пласта солянокислотным раствором без удаления жидкости и метана на поверхность позволяет получить эффективность 20—25 % и Кд = 0,25—0,3;
• дегазация угольных пластов с использованием последовательной их обработки растворами ХАВ и последующим извлечением метана обеспечивает эффективность 40—60 % при Кд = 0,5—0,7, что свидетельствует о возможности применения этих способов для дос-
Рис. 7. Технологическая схема дегазации выемочных участков пласта «Тройного» 2-го горизонта шахты
«Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» с использованием вибрационного воздействия и скважин с поверхности
тижения глубокой дегазации пластов с газоносностью более 15— 20 м3/т;
• использование физикохимической обработки высокогазоносных пластов из подземных скважин с последующим удалением метана обеспечивает в течение 0,5—1 года эффективность 50—55 % при Кд = 0,5—0,55, а при сроке дегазации до 6 месяцев 18—25 % и Кд = 0,2—0,25;
• в зонах с использованием физикохимических способов дегазации достигается увеличение темпов проведения подготовительных выработок в 1,2—1,4 раза.
Критерием оценки эффективности исследуемых способов дегазации являлась степень снижения газообильности очистных забоев, измеренная при наиболее тяжелом газовом режиме ведения горных работ— выемке угля комбайном и доставке угля по лаве. Как правило, газообильность одиночной лавы определяли на ее исходящей струе в вентиляционном штреке на расстоянии 20 м от забоя.
Обобщая полученные результаты вибрационного воздействия на угольный массив, в ходе проведения заблаговременной обработки можно предположить, что для качественной обработки угольного пласта, а также для повышения безопасности проведения подготовительных выработок скважины целесообразно закладывать с учетом заложения будущих выработок (рис. 8).
Основным критерием эффективного использования способов дегазации в угольных шахтах является уровень снижения газо-
Рис. 8. Схема подготовки пласта к эффективной и безопасной отработке при вибрационном воздействии через скважины с поверхности
обильности горных выработок, который оценивается по коэффициенту эффек-тивности дегазации [2]:
КД = (д' - д") / д' или КД = (J' - J") / J", (5)
где д’, д" — относительная газообильность выработки соответственно до и после проведения дегазации источника метановыделения, м3/т; /, I'—абсолютная газообильность выработки соответственно до и после дегазации, М3/МИН.
Применение гидрорасчленения на низкопроницаемых газонасыщенных угольных пластах при эксплуатации скважин оказывает влияние на снижение газообильности выработок на 40-60 % и газоносности на 40-50 %.
1. Васючков Ю.Ф. Диффузия метана в пластах ископаемых углей. - Химия твердого топлива, 1976, № 4, с. 27-33.
2. Васючков Ю.Ф. Физико-химические способы дегазации угольных пластов. - М. 1986 -255 с.
Применение физико-химического способа воздействия на угольный массив обеспечивает при гидрорасчленении пласта извлечение добавочного 30-40 % метана по обменному механизму.
Выводы:
Усовершенствован процесс дегазации газоносного низкопроницаемого угольного массива на основе использования комплексного воздействия гидрорасчленения (степень дегазации 0,35-0,4), физико-химичес-кой обработки (степень дегазации 0,25-0,3) и вибрационного воздействия (степень дегазации 0,2-0,3), что позволило довести общую степень дегазации низкопроницаемого угольного массива до 0,70,8.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Васючков Ю.Ф., Павленко М.В. Метод интенсификации газоотдачи с использованием волновых полей. ГИАБ, № 4, 1998, М. - С.107-108.
Коротко об авторах
Васючков Юрий Федорович — профессор, доктор технических наук, Павленко Михаил Васильевич - доцент, кандидат технических наук,
Московский государственный горный университет.
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ им. Н.М. ФЕДОРОВСКОГО (ФГУП ВИМС)
ШАШОРИН Борис Николаевич Палеогеодинамические факторы эндогенного уранового рудообразования 25.00.11 д.г.-м. н.
