CC BY
19
изобретение № 2127364 С1, 6E21C 37/12, E21F 5/00, бюл. №7 1999 г.
11. Забурдяев B.C., Забурдяев Г.С., Рудаков Б.Е.,
Сергеев ИВ., Яковлев А.Н. Способ проведения гидравлической обработки угольного пласта // Авторское свид. СССР на изобретение №883509, E21F 5/00, E21F 7/00, бюл. №43 1981
12. Забурдяев B.C., Забурдяев Г.С., Козлов В.А., Сухорукое Г.И. Дегазация и увлажнение угольных пластов -эффективные методы повышения взрывобезопасности и экологии метанообильных шахт // Двойные технологии. -1999 - №2. - С. 36-40.
Коротко об авторах
Забурдяев Г. С. - кандидат технических наук, ИПКОН РАН.
------------------------------------------ © А.Д. Рубан, B.C. Забурдяев,
Г. С. Забурдяев, А.Н. Лысенко,
В.И. Шепотько, 2004
УДК 622.411.33:533.17
А. Д. Рубан, В. С. Забурдяев, Г. С. Забурдяев,
А.Н. Лысенко, В.И. Шепотько
ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ГАЗОГИДРОИМПУЛЬСНОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ НА МАССИВ УГЛЯ ЧЕРЕЗ ПЛАСТОВЫЕ СКВАЖИНЫ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГАЗООТДАЧИ
Семинар № 5
нтенсивная разработка угольных месторождений, переход горных работ на более глубокие горизонты и увеличение газоносности углей приведет к значительному росту объемов метана, выделяющегося в угольных шахтах. В связи с этим все большая роль отводится дегазации как при подготовке шахтопластов к эксплуатации, так и в процессе ведения очистных работ.
Пластовая дегазация весьма актуальна при высокопроизводительной работе очистных забоев на газоносных пластах. Поэтому необходимо в максимально возможных объемах искусственно снижать метановыделение из разрабатываемых пластов в горные выработки путем интенсивного извлечения метана из угольного массива дегазационными системами шахт.
Актуальность вопроса вызвана также тем, что эффективность традиционных способов дегазации разрабатываемых пластов подземными скважинами за последние 10-15 лет снизилась с 20-30 % до 15-20 %, причем при высоких скоростях подвигания очистных забоев увеличение сроков дегазации разрабатываемых пластов сдерживает развитие горных работ. При этом большие трудности связаны с обеспечением требуемой эффективности дегазации высокогазоносных пластов, в особенности опасных по внезапным выбросам угля и газа, где в выбросоопасных зонах требуется 60-70 %-ная эффективность дегазации. Интенсификация га-зоотдачи пластов угля в дегазационные скважины в таких условиях приобретает первостепенное значение.
Путями повышения эффективности подземной дегазации не разгруженных от горного давления угольных пластов являются реализованные на практике технологические схемы дегазации, основанные на бурении перекрещивающихся скважин [1-3], и предшествующие предварительной дегазации пластов угля импульсные методы воздействия на массив с целью повышения его газопроницаемости и газоотдачи [2, 4-7].
Средствами импульсного воздействия на пласты угля через скважины могут быть установка для генерации гидравлических импульсов давления [8] и генератор импульсов, используемый для обработки прискважинной зоны нефтеносного пласта [9]. Оба изделия по технико-технологи-ческим параметрам
способны эффективно воздействовать на массив угля через скважины с целью повышения их продуктивности. Первое из них размещается в горной выработке и своей ствольной частью входит в устье скважины. Второе, после некоторых конструктивных изменений, будет размещаться в устье обсадной трубы и по габаритно-массовым
характеристикам имеет преимущество перед первым изделием. Оно принято нами основным на данном этапе исследований.
Технология газогидроимпульсного воздействия на массив угля через пластовые восстающие или нисходящие скважины включает обсадку устья скважины трубой, установку и последующую герметизацию импульсного устройства в обсадной трубе, его крепление в горной выработке, нагнетание жидкости (вода, вода с добавками ПАВ) до заполнения скважины и прискважинной зоны пласта, заряжание полости газогенератора энергоносителем, затем повторное нагнетание жидкости до достижения установившейся величины давления, инициирование энергоносителя, формирующего импульс высокого давления газов и образование в угольном массиве искусственных трещин, извлечение импульсного устройства и подключение скважины к дегазационному трубопроводу.
При импульсном воздействии на предварительно обводненный массив угля жидкостью, являющейся рабочим телом при образовании
новых трещин, основное значение имеют темп нагнетания жидкости, величина импульса и давление, оказываемое на стенки скважины и на жидкость в трещинах прискважинной зоны пласта.
Минимальное значение напряжений на контуре скважины асж для образования трещин в радиусе Яэф определяется по формуле
я
эф
(1)
г
где <5СЖ - предельные напряжения сжатия, МПа; г - радиус скважины, м.
Расчеты, проведенные по формуле (1), показывают, что при изменении прочности угля <зсж от 3 до 7 МПа, радиусе зоны трещинообра-зования Яэф = 10 ми радиусе скважины г = 0,05 м минимальные напряжения на контуре скважины должны быть соответственно равными 43 и 100 МПа.
Минимальная продолжительность т импульсного воздействия на массив непрерывной волной сжатия определяется с учетом условия разрушения по Гриффитсу из выражения
2 і Ж I
Т =------, (2)
С
где I - длина трещины, м; с - скорость звука в массиве, м/с.
С учетом продолжительности начального отрезка импульса (период роста давления до максимума), равного 0,1-0,15 с, в течение которого прирост давления происходит с максимальной скоростью и процесс роста трещины наиболее устойчив, длина трещины в массиве угля при с = 900 м/с может составить 9-13 м.
Необходимым параметром давления жидкости в скважине с целью трещинообразования в пласте угля отвечает комплекс оборудования ТСГГ [10] при следующих его основных характеристиках применительно к подземным пластовым скважинам:
- диаметр - 93 (105) мм;
- длина - не менее 1,5 (1,4) м;
- давление газов - до 150 МПа;
- температура газов - не более 700 С;
- электрический импульс для инициирования заряда - 27±3 В;
- заряд твердого топлива
- шашки ТЭШ-4 с таблеткой КЭТ-4;
- воспламенитель твердого топлива - мостик накаливания;
- пиропатрон - ПДО-2;
- масса азота, вырабатываемого комплексом ТСГГ - до 5 кг;
кратность использования -многократно (с заменой отдельных деталей и заряда).
Данные расчетов свидетельствуют о том, что при импульсном воздействии на массив угля волной сжатия при давлении в импульсе, равном 150 МПа, длина трещины в угольном пласте при его прочностных характеристиках по М.М.Протодьяконову, равных / = 0,5-2 (асж = 5-20 МПа), может составить от 2,8м при/ = 2 до 45 м при/ = 0,5. При давлении 100 МПа в аналогичных условиях длина трещины может быть от 2,2м до 20м (табл. 1). Радиус трещинообразования, равный 15 м, может быть обеспечен при давлениях в импульсе 100-150 МПа только на пластах крепостью угля / = 0,6-0,85, а радиусы 10 ми 5 м - при/ = 0,7-1,1 и / = 0,85-1,5 соответственно.
На пластах каменного угля и антрацитов при скорости звука в массиве, равной 750-1500 м/с, минимальная продолжительность импульсного воздействия волной сжатия должна превышать 0,070,13с при радиусе трещинообразования 10м и 0,13-0,26 с - при радиусе 20 м (табл. 2).
Эти интервалы продолжительности импульса обеспечиваются подбором энергоносителя.
В основу устройства для газогидроимпульсного воздействия на угольные пласты через подземные скважины положена конструкция ТСГГ, снабженная средствами крепления газогене-
Таблица 1
Результаты расчетов радиуса трещинообразования в угольных пластах
Давление в импульсе, МПа. Прочность угля на сжатие, МПа Радиус скважины, м Радиус трещинообразования, м
50 5 0,05 5
7 2,5
10 1,25
15 0,55
20 0,3
75 5 0,05 11,2
7 5,7
10 2,8
15 1,25
20 0,7
100 5 0,05 20
7 10,2
10 5
15 2,2
20 1,2
125 5 0,05 31,2
7 15,9
10 7,8
15 3,5
20 1,95
150 5 0,05 45
7 23
10 11,2
15 5
20 2,8
Таблица 2
Минимальная продолжительность импульсного воздействия на массив угля волной сжатия
Радиус трещинообразования, м Скорость звука] массиве, м/с Минимальная продолжительность импульса, с
10 750 0,13
900 0,11
1000 0,10
1250 0,08
1500 0,07
15 750 0,20
900 0,16
1000 0,15
1250 0,12
1500 0,10
20 750 0,26
900 0,22
1000 0,20
1250 0,16
1500 0,13
ратора в обсадной трубе пластовой скважины и в горной выработке.
Устройство газогидроимпульсное (УГГИ) применительно к газовым шахтам состоит из корпуса, головной и хвостовой частей. В полости газогенератора помещается заряд твердого топлива, пиропатрон и воспламенитель. Принцип импульсного воздействия этого устройства на массив угля заключается в том, что нейтральный газ (азот), являющийся основным продуктом химического превращения заряда твердого топлива, по осевому каналу газогенератора, размещенного в обсадной трубе водонаполненной скважины, воздействует на столб жидкости, с помощью которой в пласте угля образуются новые трещины и раскрываются имеющиеся.
1. Бухны Д.И., Рудаков Б.Е., Забурдяев B.C. и др. Способ дегазации угольного пласта // Авт. свид. №1439266. - 1988. - Бюл. №43.
2. Забурдяев B.C., Рубан А.Д., Сергеев ИВ. и др. Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделе-нием на угольных шахтах. - Люберцы - Макеевка, 2000.
- 117с.
3. Методические основы проектирования дегазации на действующих и ликвидируемых шахтах / B.C. Забурдяев, А.Д. Рубан, Г.С. Забурдяев и др. - М.: ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинскогоо, 2002. - 316 с.
4. Рубан А.Д., Забурдяев B.C., Сергеев И.В., Забурдяев Г. С. и др. Способ дегазации надрабатываемой угленосной толщи //Пат. РФ №2152518. - 2000. - Бюл. №19.
5. Забурдяев B.C., Забурдяев Г.С. Козлов В.А., Сухорукое Г.И. Дегазация и увлажнение угольных пластов -эффективные методы повышения взрывобезопасности и экологии метанообильных шахт // Двойные технологии. Российская инженерная Академия. Секция «Инженер-
Для повышения эффективности импульсного воздействия на пласт массив угля вблизи скважины насыщается водой (или водой с добавками ПАВ) под давлением, создаваемым серийно выпускаемым для шахт оборудованием (насосы УНВ-2, НВУ-30, УН-35 или УНР с расходом жидкости 0,5-0,9 л/с и давлением до 12-30 МПа).
На устройство УГГИ разработана конструкторская документация. При этом основные узлы и детали заимствованы у проверенного на нефтяных скважинах газогенератора ТСГГ. Изготовление устройства УГГИ, его стендовые и натурные испытания запланированы на 2004 год.
------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ные проблемы стабильности и конверсии». - 1999. - №2.
- С. 36-40.
6. Забурдяев B.C., Забурдяев Г.С. Способы интенсификации газоотдачи неразгруженных пластов угля в подземных условиях // Современные проблемы шахтного метана. - МГГУ.-1999.-С. 106-117.
7. Рубан А.Д., Забурдяев B.C. Проблемы газообильных очистных забоев в шахтах России // Науч. сообщ./ ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского. - М., 2003. -Вып. 324. С.19-26.
8. Рубан А.Д., Забурдяев B.C., Сергеев ИВ., Забурдяев Г.С. и др. Установка для генерации гидравлических импульсов давления. //Пат. РФ №2127364. - 1999. - Бюл. №19.
9. Моисеев В.А., Губарь В.А., Губарь Д.В., Лысенко А.Н. и др. Способ обработки призабойной зоны пласта скважины и погружной генератор для его осуществления. // Пат. РФ №2147337. - 2000. - Бюл. №10.
10. Газогидроимпульсная обработка призабойной зоны пласта. // Технико-технологическая информация ОАО «Корпорация «Компомаш», 2003, 19 с.
— Коротко об авторах
Рубан АД. - чл.-корр. РАН,
Забурдяев В. С. - кандидат технических наук,
Забурдяев Г. С. - кандидат технических наук,
Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
Лысенко А.Н., Шепотъко В.И. - инженеры, ОАО «Корпорация «Компомаш».
