CC BY
54
Рис. 1. персі
ІЕАА ІА і N ЕІЇІ^ЕОІ^І "1&А&ЁЙ іАІШеА
ІІМАа, ІААО, і 25.01.99
29.01.99
ции разрабатываемого пласта ся скважинами:
выемочные штреки; 4. - скважины, забой; 5 - скважины, параллельные провод
: - - ^ ІЕ. Опоема, &.І\І. Аідіфе, тш
і А.ІЧ. Іае, 2000
і! ОАЕ 622.411.33.004.14(470)
і ^.Ё. Опоена, &.Ы. Аїдїфе, А.Ы. їае
1 МЕТОДЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ДЛЯ ЕГО
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ШАХТАХ
В
угледобывающих регионах РФ дегазация применяется в основном как средство снижения газовой опасности в шахтах. Каптируемый метан используется только на 4 шахтах объединения "Воркутауголь", в то время как в зарубежных угледобывающих странах использование метана, извлекаемого из шахт средствами дегазации, поставлено на промышленную основу.
В соответствии с "Руководст-вом по дегазации угольных шахт" запрещается использовать добываемый при дегазации газ путем прямого сжигания с содержанием метана ниже 25 %, а концентрация метана в дегазационных трубопроводах также должна быть не менее 25 %. Поэтому метановоздушную смесь с содержанием метана более 25 % принято считать кондиционной.
Одной из основных причин, тормозящих расширение области использования каптируемого метана на шахтах Российской Федерации, является неустойчивая, а часто очень низкая концентрация метана в отсасываемой смеси, которая, в свою очередь, во многом зависит от методов извлечения газа из угольных пластов и вмещающих пород.
Исходя из этого, в ИГД им. А.А. Скочинского совместно с ПечорНИИ проектом и АО "Воркутауголь" проводились исследования методов извлечения кондиционного метана из угольных пластов через скважины, пробуренные из подземных выработок.
Установлено, что технические решения по способам извлечения конди-
ционного метана при отработке угольных пластов должны базироваться на следующих принципиальных технологических схемах дегазации.
Дегазацию неразгруженных угольных пластов необходимо осуществлять с применением схемы дегазации угольного массива перекрещивающимися скважинами, как наиболее эффективной и технологически простой. Возможны также схемы дегазации разрабатываемых пластов скважинами с предварительным гидродинамическим воздействием на угольный массив с целью повышения его газопроницаемости и газо-отдачи.
Дегазация подрабатываемых и над-рабатываемых угольных пластов должна производиться скважинами, пробуренных из выработок непосредственно на дегазируемые угольные пласты при соответствующей горнотехническим условиям глубине герметизации скважин. На отрабатываемых участках скважины проводят из участковых выработок и выработок, оконтуривающих выемочное поле.
Из опыта применения дегазации разрабатываемых пластов на шахтах Кузбасса следует, что обязательным условием при решении вопроса о необходимости применения пластовой дегазации является наличие данных о газоот-даче угольного пласта, предназначенного для дегазации. Наиболее достоверные значения показателей газоотдачи могут быть получены в период проходки оконтуривающих выемочное поле выработок. Как показали расчеты, извлечение кондиционного метана из разрабатываемого пласта вполне оправданно, если дебит газа из этого
источника при нагрузке на лаву более 1000 т/сутки и существующей технологии дегазации составляет 8-10 м3/мин.
Кондиционность метана в каптируемой скважинами смеси может быть обеспечена и при дебите метана менее 8-10 м3/мин, если режим работы скважин будет управляемым, а их герметизация надежной.
Простым в осуществлении и весьма эффективным методом равномерной обработки выбросоопасных и высокогазоносных угольных пластов является метод дегазации, основанный на применении перекрещивающихся скважин (рис. 1), т.е. двух групп (серий) скважин, одна из которых пробурена параллельно линии очистного забоя, а вторая - ориентирована на него.
Наибольший эффект от применения перекрещивающихся скважин приурочен к пластам с менее прочными углями (как правило, это выбросоопасные угольные пласты), где в результате частичной разгрузки массива скважинами формируется хорошая аэродинамическая связь между ними и достигается достаточно глубокая его дегазация (до 30-40 %).
Опытно-промышленная реализация этого способа для дегазации газоносных и выбросоопасных пластов Донецкого и Карагандинского бассейнов, а также бассейна Дзяо-Цзуо (Китай) показала хорошие результаты.
Если при дегазации пласта параллельно-одиночными скважинами, осуществленной в различных условиях шахт Карагандинского и Донецкого бассейнов, в сравниваемых условиях извлекалось 0,7.. .2,2 м3 из 1 т запасов угля, то дегазация пласта перекрещивающимися скважинами обеспечивает съем метана с 1 т дегазируемых запасов угля в среднем в 1,5-2,2 раза больше, т.е. до 5,3-5,6
м3/т.
Технология дегазации угольного массива перекрещивающимися скважинами внедрена на 12 очистных участках шахт СНГ (8 угольных пластов на 9 шахтах).
Способ дегазации пласта перекрещивающимися скважинами основан на эффекте разгрузки угольного массива
вблизи полостей скважин в узлах их перекрещивания, где формируются две
Вынимаемая мощность пласта 0,7-4,5 м
Угол падения пласта 0-250
Длина лавы до 250 м
Длина выемочного столба до 2500 м
Газовыделение из подрабатывамых более 10 м3/мин
пластов
Длина герметизации скважин 15-20 м.
системы вертикальных перекрещивающихся трещин. Сформированные трещины обеспечивают аэродинамическую связь между сериями скважин, пробуренных под определенным углом друг к другу.
Схемы дегазации разрабатываемых пластов перекрещивающимися скважинами имеют хорошую перспективу, что подтверждается фактическими данными их внедрения. Так, при расстоянии между устьями перекрещивающихся скважин, равном 810 м, за 150-180 суток дегазации с 1 т угля выбросоопасных пластов извлечено 4,4-5,3 м3 метана (шахты «Ко-мисса-
ровская”, Донбасс и “Сокурс-кая”, Казахстан). Эффективность дегазации, оцененная уровнем снижения газовыде-ления из пласта в лаву, в обуренной через 10 м перекрещивающимися скважинами зоне пласта за 180 суток их функционирования составила на шахте “Ко-мисса-ровская” 35 %, а на шахте “Со-курская” за 150 суток дегазации скважинами, пробуренными через 8 м, - 45 %. Снижена газообильность участка, сглажены пиковые значения концентрации метана в процессе работы очистного комбайна, что создало благоприятные условия по фактору газовыделения для
добычи 965 и 1480 т/сут в лавах упомянутых шахт.
Производительность очистных забоев после внедрения дегазации разрабатываемого пласта перекрещивающимися скважинами на 7 выемочных участках возросла в среднем на 18 %.
Опыт дегазации разрабатываемых угольных пластов Карагандинского и Донецкого бассейнов перекрещивающимися скважинами принят за основу для реализации нового способа дегазации в условиях шахт Кузбасса. Исследование методов извлечения кондиционного метана из сближенных пластов проводилось в условиях шахт Воркутского месторождения. Основными рабочими пластами месторождения являются ''Четвертый" (n11) мощностью 1,4-1,5 м, отрабатываемый первым в свите на большинстве газообильных шахт с дегазацией, "Тройной" (n14+13+12) мощностью 2,3-2,5 м и "Мощный" (n14+13+12+11), средняя мощность которого составляет 4 м.
При отработке пласта "Четвертого" в пределах зоны разгрузки от горного давления находятся 15-17 пластов и
пропластков в кровле общей мощностью угольных пачек 8-9 м и 6-7 пропластков в почве суммарной мощностью 3,2-3,4 м. В разгруженной зоне пласта "Мощного" число подрабатываемых пластов увеличивается до 30-35, а их суммарная мощность достигает 20-21 м.
Долевое участие основных источников в общем газовом балансе выемочного участка составляет:
• подрабатываемые пласты и пропла-стки - 60-70 %;
• надрабатываемые пласты и пропла-стки - 15-20 %;
• ба^баааойааашё 1ёапо - 5-10 %.
А бпёхаёуб аапбаёёёшё хобаахоёё 1ёапб1а, подготовки лав одинарными
Рис. 3. Схема фланговой дегазации скважинами надрабатываемых угольных пластов
выработками с поддержанием их на границе "массив - выработанное пространство" и прямоточных схемах проветривания лав наиболее эффективными являются фланговые схемы дегазации.
Фланговые схема дегазации предусматривает метод комплексной дегазации сближенных пластов и выработанного пространства действующей лавы и прилегающих старых выработанных полей. Сущность такой схемы заключается в бурении дегазационных скважин на подрабатываемые пласты из выработок, которые оконтуривают бремсберговое поле (блок, панель), и выработок действующей лавы, поддерживаемых в течение полной ее отработки (рис.2). В зависимости от условий подготовки и отработки выемочных участков имеются различные варианты фланговой схемы дегазации.
По расположению все скважины делятся на три группы:
• скважины, пробуренные из фланговой выработки действующей лавы;
• скважины, пробуренные из поддерживаемой за лавой выработки;
• скважины, пробуренные из фланговых выработок ранее отработанных лав.
Условия применения схем фланговой дегазации следующие:
Изменение дебита и содержания метана в каптируемой смеси по мере удаления очистного забоя от устьев скважин происходит по зависимостям, которые могут быть аппроксимированы прямолинейными зависимостями. При
этом скважины, устья которых расположены в целиках угля, отличаются от всех остальных высоким начальным дебитом и концентрацией метана и низкими темпами их снижения по мере удаления лавы от скважин, что обеспечило продолжительную и продуктивную работу скважин.
Для скважин, пробуренных из поддерживаемой за лавой выработки, также характерен достаточно высокий начальный уровень расхода и концентрации метана в отсасываемой смеси, но темпы снижения этих параметров в 2 раза выше, что определило в два раза меньший срок их продуктивной работы.
Рис. 2. Схема фланговой дегазации скважинами подрабатываемых угольных пластов
Изменения продуктивности скважин по мере удаления их от очистного забоя, как и изменения абсолютной метано-обильности участков по мере развития горных работ, связаны с разгрузкой подрабатываемой угленосной толщи, вследствие чего наибольшее количество газа извлекалось в период, когда это расстояние составляло 150-200 м, т.е. когда разгрузка угленосной толщи достигла максимального уровня. При дальнейшем удалении лав от скважин колебания дебита метана в них проявляются слабее.
Параметры метановоздушной смеси скважин, пробуренных впереди лавы и подключенных к газопроводу после прохода лавы их устьев, отличаются от показателей первых двух групп более низкими значениями начального уровня газовыделения и концентрации метана, практически постоянным уровнем дебитом газа в течение всего периода их функционирования, но весьма высоким темпом снижения содержания метана в каптируемой смеси, что свидетельствует об увеличении подсосов воздуха в скважины.
Производительная работа с содержанием метана в каптируемой смеси 30% и более будет наблюдаться в скважинах 1-ой группы на расстоянии 800 м от устья скважины до линии очистного забоя, в скважинах 2-й группы - на расстоянии 280 м и в скважинах 3-й группы - на расстоянии 50 м. Эффективность фланговой схемы дегазации подрабатываемых пластов составляет 70-90%.
Схемы дегазации надрабатываемых пластов по аналогии с дегазацией подрабатываемой толщи разработаны на основе фланговых схем. По расположению скважины делятся на две группы (рис. 3):
• скважины, пробуренные из фланговых выработок;
• скважины, пробуренные из поддерживаемой за лавой выработки.
Первая группа обеспечивает дегазацию надрабатываемых пластов в начале отработки лавы и завершении отработки. Вторая группа скважин обеспечивает дегазацию надрабаты-ваемых пластов в процессе отработки лавы.
Дегазация надрабатываемых пластов применяется при газовыделении из этого источника не менее 5 м3/мин. Эффективность дегазации надрабатывае-мых пластов при первоочередной отработке пластов составляет около 17 %, а на экспериментальных участках шахты "Воркутинская" достигала 37 %.
Количество скважин в кустах, пробуренных из фланговых выработок, составляет 2-3. Для каждой отрабатываемой лавы закладывается по 1-2 куста таких скважин.
Из поддерживаемой за лавой выработки сначала бурятся скважины, предназначенные для дегазации надрабаты-ваемых пластов в зоне активных смещений пород кровли после прохода лавы. Они бурятся до прохода лавы кустами, по 2-3 скважины в кусте. Расстояние между кустами составляет 80-100 м.
Для дегазации надрабатываемых пластов в зоне стабилизации смещений пород почвы закладываются дополнительные скважины из тех же кустов, однако расстояние между ними должно составлять 240-300 м. Угол наклона к горизонту для скважин в зоне стабилизации смещений пород на 30-35° больше, чем для скважин в зоне активных смещений пород почвы.
Длина обсадки и герметизации скважин принимается равной 10 м.
Герметизация скважин на сближенные пласты производится так называемым способом "шламования". Бурение скважин над целиками угля обычно производится диаметром 132 мм под обсадные трубы диаметром 114 мм. При
подъеме обсадной колонны над ней устанавливается один уплотняющий сальник длиной 0,5 м на расстоянии 2-3 м от устья, а на самом устье трубы заклиниваются. После этого скважина бурится до проектной длины диаметром 93 мм сплошным забоем. Мелкие фракции разрушенной породы вместе с промывочной жидкостью оседают в затрубной полости, обезвоживаются и уплотняются от вибрации бурового снаряда до плотности, обеспечивающей надежную герметизацию скважины.
Исследованиями по оценке различных способов герметизации было установлено, что зашламованная часть скважины выдерживает разрушающее давление до 620 кПа (4400 мм рт. ст.), т.е. шламование обеспечивает достаточно высокое качество герметизации.
Опытно-промышленные испытания схем дегазации сближенных угольных пластов с извлечением кондиционного метана на шахтах ПО "Воркутауголь" показали следующее.
1. Содержание метана на вакуум-насосных станциях составляет 35-45 %.
2. Общий объем каптируемого метана по шахтам объединения составляет в среднем 400-460 м3/мин, или 40-45 м3/мин в среднем по одной шахте.
3. Дебит метана в газопроводе на выемочном участке составляет 30-40 м3/мин, а содержание метана - не менее 60%.
4. Эффективность дегазации по шахтам, извлекающим кондиционный метан, составляет 30-55 %, а в целом по объединению -около 40 %.
5. При объемах бурения дегазационных скважин 39 пог.м на 1000т добываемого угля количество каптируемого метана на 1 пог.м скважин составляет 4500 м3.
ОПді'іісі 1.1.., Лідіі/к' їси'. 1.Л. 1’ігїосооо аіЛііаі ііаоа 6і. Л.Л. \оі: біпоіаі ___________________________________________________________________________________________/
