Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 7
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ 15
ИССЛЕДОВАНИЙ
Анализ способов дегазации угленосной толщи 15
Опыт извлечения шахтного метана из неразгруженных 19
угольных пластов
Представления о фильтрационной структуре угля 24
Газовые гидраты. Обзор теплофизических свойств гидратов 31
природных газов и кинетика гидратообразования
Обзор экспериментальных данных по процессам и аппаратам 67
газогидратных технологий
Цель, задачи и методы исследований 81
Выводы по главе 83
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЛЕКТОРСКИХ СВОЙСТВ 84
УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД
Исследование проницаемости угля в зависимости от условий 84
фильтрации и рода текучего
Исследование анизотропии фильтрационных свойств 87
угольных пластов
Определение коллекторских свойств угольных пластов по 91
гидродинамическим испытаниям на скважинах
Выводы по главе 97
ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ВЫБОРУ 99
ЖИДКОСТЕЙ-РАСТВОРИТЕЛЕЙ МИНЕРАЛЬНОЙ
составляющей угля и связующего цемента вмещающих пород
Обоснование выбора комплексонов в качестве жидкостей- 99
растворителей минеральной составляющей угля и
связующего цемента пород при гидрорасчленении
угленосной толщи
Изучение влияния водных растворов комплексонов на 109
физико-химические свойства угля и породы
Исследование изменения фильтрационных свойств угля под 121
воздействием водных растворов комплексонов
Исследование изменения прочностных свойств породы под 127
воздействием водных растворов комплексонов и карбамида
Исследование изменения сорбционных свойств углей, 135
обработанных водными растворами комплексонов
Исследование изменения деформационных свойств углей, 13 8
обработанных водными растворами комплексонов
Исследование изменения структуры угля под воздействием 148
водных растворов комплексонов
Исследование влияния добавок комплексонов на изменение 152
прочности и срока твердения тампонажного цемента
Результаты шахтного эксперимента по воздействию водных 160
растворов комплексонов на минеральную составляющую
угля и изменение газодинамического состояния угольного
пласта
Выводы по главе 172
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО 176
ПОВЫШЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ НА
БАЗЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ДЕГАЗАЦИИ
Технологические схемы заблаговременной подготовки 176
угленосной толщи для эффективного извлечения шахтного
газа при разработке угольных месторождений
4.2. Технологическая схема многостадийного воздействия 189
Гидрорасчленение пласта h'6 с цементацией пород кровли 200
Гидрорасчленение платов-спутников h'8, h"i0 и hBi0. 205
4.3. Выводы по главе 210
5. НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ 212
УТИЛИЗАЦИИ ШАХТНОГО МЕТАНА ИЗ ДЕГАЗАЦИОННЫХ МЕТАНОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ГАЗОГИДРАТНЫХ ПРОЦЕССОВ
Научное обоснование и оценка возможности утилизации 212 шахтного метана газогидратным способом
Разработка способов утилизации шахтного метана из 218 дегазационных метановоздушных смесей и деминерализация шахтных вод на основе газогидратных процессов
Анализ состава шахтного газа, извлекаемого из шахт 218 различными способами дегазации и анализ химического состава шахтных вод
Экспериментальные исследования газогидратного процесса 220 деминерализации шахтных вод
Методика расчета условий гидратообразования 226 метановоздушных смесей различного состава с помощью констант равновесия
Схемы разделения смеси «метан-воздух» 248
Технологическая схема с выдачей газообразного метана 248
Технологическая схема с выдачей ожиженного метана 253
Опреснитель соленой шахтной воды - приставка к 255 газогидратному разделителю смеси «метан-воздух»
Разработка вариантов двухцелевой технологической схемы 258 разделения шахтной метановоздушной смеси на основе газогидратных процессов
7. Тепловой расчет технологической схемы разделения 262
шахтной метановоздушной смеси
8 Разработка комбинированной технологической схемы 266
извлечения метана из шахтных дегазационных
метановоздушных смесей
8.1. Трехцелевая схема разделения смеси «метан-воздух» и 266
опреснения-разделения соленой шахтной воды
9. Повышение выхода метана при разложении газовых 272
гидратов на основе процесса ректификации
Принцип газогидратной ректификации 272
Методика расчета и расчет газогидратной ректификационной 281 колонны
Оценочный расчет основных показателей газогидратного 291
разделителя метановоздушной смеси и подбор оборудования
для комбинированной схемы трехцелевого назначения
Выводы по главе 203
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ИЗВЛЕЧЕНИЮ 307
МЕТАНА ИЗ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СТРУЙ ШАХТ
Состояние и проблемы извлечения метана из 308
вентиляционных струй шахт
Сорбционные процессы, анализ и выбор сорбентов метана 309
1. Получение сорбентов из углеродсодержащих отходов 310
Технологические решения по извлечению метана из 318
вентиляционных струй шахт на основе комбинирования сорбционных и кристаллизационных процессов
Расчет технологической схемы установки трехцелевого 327 назначения для извлечения метана из вентиляционной струи шахты и основные показатели
Подбор оборудования для извлечения метана из 328 вентиляционного шахтного воздуха
Выводы по главе 332
МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ 334
ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ
МЕТАНА ИЗ УГЛЕНОСНОЙ ТОЛЩИ
Анализ существующих методик оценки экономической 334
эффективности заблаговременного извлечения метана из
угленосной толщи
Номенклатура необходимых стоимостных параметров 336
дегазации
Принципиальный методический подход к оценке 348
экономической эффективности добычи метана из
угленосной толщи
Выводы по главе 349
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 351
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 356
ПРИЛОЖЕНИЯ 380
Введение к работе
Актуальность работы. Современное состояние подземной разработки угольных месторождений характеризуется увеличением глубины разработки и ухудшением природных и горнотехнических условий горных работ, в частности, увеличением газообильности горных выработок вследствие роста природной газоносности пластов и вмещающих пород, которая на глубинах 700-1000 м достигает 25-30 м /т. Метан, выделяющийся в горные выработки, сдерживает добычу угля, повышает его себестоимость, ухудшает комфортность и безопасность труда шахтеров, а вынос метана на поверхность приводит к негативным экологическим последствиям. Этот метан при разработке месторождений извлекается на поверхность как с вентиляционной струей, так и различными способами дегазации, утилизируется же лишь незначительная его часть. В зависимости от применяемого способа дегазации (подземная, скважинами, пробуренными с поверхности в неразгруженный массив, в выработанное пространство и др.), а также времени ее осуществления (заблаговременно до начала горных работ, в процессе их ведения или из выработанного пространства) концентрация метана в извлекаемой газовоздушной смеси изменяется в широком диапазоне от единиц до десятков процентов при резком колебании дебитов.
Извлечь газ из неразгруженного массива можно только после изменения его свойств и состояния путем активных (силовых) воздействий, выбор которых определяется горно-геологическими и горнотехническими условиями.
Основой для таких воздействий является способ гидрорасчленения угольных пластов через скважины, пробуренные с поверхности. При гидрорасчленении угольных пластов и вмещающих пород ставятся задачи интенсификации извлечения метана из пласта, управления его напряженным состоянием за счет изменения физико-механических свойств, а также повышения глубины дегазации. Проведенные исследования показали, что обобщенной характеристикой газодинамического и напряженного состояния угольных
8 пластов может служить их проницаемость. На величину проницаемости определяющее влияние оказывают как природные, так и горнотехнические факторы. Проницаемость угленосной толщи можно повысить путем нагнетания в нее под давлением воды, которая раскрывает естественные трещины пласта. Дополнительно повысить проницаемость угленосного массива можно путем растворения минеральной составляющей угля и связующего цемента вмещающих пород. Для этого в угольный пласт закачивают растворы химически- и поверхностно-активных веществ.
Разработка угольных месторождений в современных условиях выдвигает необходимость новых решений ряда проблем по обеспечению безопасности эксплуатации шахт, комплексного освоения минеральных ресурсов и защиты окружающей среды. К таким проблемам относится и проблема утилизации шахтного метана, извлекаемого на поверхность различными способами дегазации, а также выносимого вентиляционной воздушной струей.
В составе газа,, извлекаемого из дегазационных скважин (подземных или скважин, пробуренных с поверхности), содержание метана колеблется от 2 до 70 - 95 %. Дебиты газа также изменяются в широком диапазоне. Вследствие таких больших колебаний затруднено его широкое использование. В связи с этим встает задача найти такой способ утилизации шахтного газа, для которого компонентный состав газа не был бы жестким условием. Таким способом на наш взгляд является перевод шахтного газа в гидратное состояние. По гидратной технологии можно переводить в гидрат различные газы, в том числе и их смеси, при этом будут меняться только равновесные условия гидратообразования. При использовании в качестве газа-гидратообразователя шахтной метановоздушной смеси и использовании шахтной воды можно в едином технологическом процессе осуществить утилизацию шахтного газа и опреснение шахтной воды с получением в качестве готовых продуктов чистого метана, пресной воды и сухих солей. Это позволит получить новые полезные продукты, осуществить комплексное
9 освоение ресурсов угольного месторождения и существенно снизить вредное воздействие, оказываемое горным предприятием на окружающую среду.
В связи с вышеизложенным проблема повышения безопасности горных работ на базе эффективной дегазации, достигаемой за счет управления газодинамическим состоянием углепородного массива на основе разработки технологических решений по повышению его газоотдачи путем изменения коллекторских свойств, а также проблема утилизации шахтного метана на основе разработки технологических решений на базе газогидратных процессов, позволяющих осуществить комплексное освоение угольных месторождений и повысить экологическую чистоту горного предприятия, являются актуальными, имеющими важное народнохозяйственное значение.
Целью работы является установление закономерностей изменения газодинамического состояния газоносного углепородного массива для разработки технологических решений по повышению безопасности горных работ и утилизации шахтного метана на основе газогидратных процессов.
Основная идея работы заключается в возможности изменения коллекторских, сорбционных и деформационных характеристик угольного пласта за счет использования эффекта растворения минеральной составляющей угля и связующего цемента песчаника при нагнетании в углепородный массив водных растворов химически- и поверхностно-активных веществ.
Методы исследования. В процессе проведенных исследований использовались анализ литературных и фондовых материалов, аналитические методы исследования газодинамики, механики сплошной среды, методы математической статистики, лабораторные и шахтные эксперименты.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
оптимальные параметры гидродинамической обработки пласта, форма и размеры зоны гидродинамического воздействия определяются с учетом анизотропии фильтрационных характеристик угольного пласта;
обоснование выбора водных растворов комплексонов в качестве рабочих жидкостей гидрорасчленения для повышения проницаемости угольных пластов и вмещающих пород базируется на возможности растворения большего числа минеральных компонент, что обеспечивает значительное повышение газоотдачи массива, а также снижение зольности угля;
закономерности изменения фильтрационных, сорбционных и деформационных характеристик угля и горных пород определяются видом и концентрацией химически- и поверхностно-активных веществ, включаемых в состав рабочей жидкости при гидродинамической обработке массива, а также временем их воздействия на него;
методология конструирования технологических схем дегазации угленосной толщи базируется на учете источников газовыделения (рабочий пласт, вмещающие породы, пласты-спутники) и видов активных воздействий в различных горно-геологических условиях, позволяет повысить безопасность горных работ на основе комплексного управления газодинамическим состоянием массива;
обоснование диапазона равновесных условий гидратообразования (давлений и температур) для реализации процесса перевода шахтного метана в гидратное состояние базируется на учете состава метановоздушной смеси, констант равновесия, что позволяет повысить эффективность утилизации шахтного газа;
обоснование газогидратной технологии базируется на применении шахтного газа в качестве газа-гидратообразователя и шахтной воды, позволяет в едином технологическом процессе осуществить утилизацию шахтного газа и деминерализацию шахтной воды с получением в качестве готовых продуктов чистого метана, пресной воды, сухих солей, что обеспечивает комплексность использования минеральных ресурсов и повышение экологической чистоты горного предприятия;
обоснование технологических решений по извлечению метана из вентиляционных струй шахт базируется на комплексном использовании сорбционных и кристаллизационных процессов, что позволяет осуществить утилизацию метана в промышленных масштабах.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований коллекторских, сорбционных и деформационных характеристик угля и породы с лабораторными исследованиями и натурными экспериментами (расхождение не более 10-15%);
удовлетворительной сходимостью расчетных и практических значений давлений и температур газогидратного процесса (расхождение 8-12%);
представительным объемом лабораторных исследований по определению фильтрационных характеристик угольных пластов;
практической реализацией разработанных технологических решений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлены рациональные параметры гидродинамической обработки угольного пласта, а также форма и размеры зоны гидродинамического воздействия;
установлены закономерности изменения фильтрационных, сорбционных и деформационных характеристик угольных пластов при нагнетании в них водных растворов комплексонов, определены оптимальные концентрации растворов и время их воздействия;
обоснованы и разработаны основные параметры технологических схем гидродинамического воздействия на угленосную толщу для различных горно-геологических условий, обеспечивающие комплексное управление ее газодинамическим состоянием;
обоснованы научные принципы и определены оптимальные параметры процесса гидратообразования с использованием в качестве газа-гидратообразователя шахтного газа с различным содержанием в нем метана;
обоснованы и разработаны основные параметры технологической схемы перевода шахтного газа в гидратное состояние с использованием шахтной воды, позволяющие в качестве готовых продуктов получать чистый метан, пресную воду, сухие соли;
обоснованы и разработаны основные параметры технологической схемы извлечения метана из вентиляционных шахтных струй с использованием комбинирования сорбционных и кристаллизационных процессов.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей изменения фильтрационных, сорбционных и деформационных характеристик угля и породы, обработанных водными растворами химически- и поверхностно-активных веществ, для разработки технологических решений по комплексному управлению газодинамическим состоянием углепородного массива, позволяющих повысить безопасность разработки угольного месторождения, а также в разработке научных принципов и технологических решений по переводу шахтного газа в гидратное состояние, позволяющих повысить эффективность утилизации шахтного метана.
Практическое значение работы:
разработана технологическая документация и апробирован в натурных условиях способ гидродинамического воздействия на угольный пласт с использованием в качестве рабочей жидкости водных растворов комплексонов, позволивший увеличить проницаемость пласта, изменить его деформационные характеристики и снизить газодинамическую активность;
разработана технологическая документация и апробирован способ многостадийного воздействия на угленосную толщу для угольных пластов с малоустойчивыми, водопроницаемыми породами кровли, позволивший осуществить эффективную гидродинамическую обработку пласта, а также других источников газовыделения и обеспечить эффективное извлечение метана и безопасность ведения горных работ;
разработана основная техническая документация и апробирована технологическая схема утилизации шахтного метана путем перевода его в гидратное состояние;
разработаны рекомендации по конструированию технологической схемы извлечения метана из вентиляционных струй шахт на основе комплексного использования сорбционных и кристаллизационных процессов.
Реализация результатов работы.
Расчетные формулы по оценке формы и размеров зон гидродинамического воздействия с учетом анизотропии фильтрационных свойств угольных пластов вошли в «Руководство по дегазации угольных шахт России», (Люберцы.: ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского, 2002);
Полученные значения оптимальных концентраций растворов комплексонов для обработки углей марок «ОС», «Ж», «Т», «А» вошли в «Руководство по дегазации угольных шахт России» (Люберцы.: ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского, 2002);
Технология многостадийного воздействия на угленосную толщу для угольных пластов с малоустойчивыми водопроницаемыми породами кровли с цементацией ее перед или в процессе гидродинамической обработки вошла в проект по заблаговременной подготовке 5-й западной лавы пласта п'б шахты им. А.А.Скочинского и реализована.
Способ гидродинамического воздействия на угольный пласт с использованием в качестве рабочей жидкости водных растворов комплексонов вошел в технологический проект на обработку пласта Г8 3-й панельной лавы шахты им. 9-й Пятилетки и реализован.
Основные элементы технологической схемы перевода шахтного газа в гидратное состояние прошли испытания на полях шахт им. М.И.Калинина и им. А.Ф.Засядько.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международном симпозиуме "Нетрадиционные
14 источники углеводородного сырья и проблемы его освоения (С.-Петербург, 1992); научных симпозиумах "Неделя горняка" (1997-2005); международной научно-практической конференции "Среда, технология, ресурсы" (Латвия, г. Резекне, 1997); международной конференции «UNIVERSITARIA ROPET 2000», (Румыния, Petrosani, 2000); демонстрировались на: 50-м юбилейном салоне инноваций, научных исследований и новых технологий «Брюссель-Эврика-2001» (Брюссель, Бельгия, 2001); 93-м Международном салоне изобретений «Конкурс Лепин» (Париж, Франция, 2002); международной научно-практической конференции и выставке-ярмарке «Экспо-уголь» (Кемерово, 2003, 2004, 2005), научных семинарах кафедр ИЗОС и АОТ МГТУ.
В диссертации изложены результаты научных исследований, выполненных под руководством или при непосредственном участии автора в 1984-2005 годах. В исследованиях на различных этапах принимали участие сотрудники кафедр «Подземная разработка пластовых месторождений», «Инженерная защита окружающей среды», «Аэрология и охрана труда», лабораторий МакНИИ и КНИУИ, работники шахт и угольных компаний отрасли, которым автор выражает искреннюю благодарность за ценные научные консультации и помощь в работе.
