Введение к работе
Актуальность работы. Переход горных работ на угольных шахтах па большие .глубины приводит к росту негативных последствии горного давления, усложнению форм газодинамических явлении, увеличению в газовом балансе выемочных участков доли газовыделення из мощных слоев песчаника.
Особенно остро снижение технико-экономических показателен работы шахт с глубиной проявляется в Донепко-Маке-евском горнопромышленном районе Донбасса.
Недостаточная эффективность и технологичность традиционных способов подземной дегазации и способов предотвращения внезапных выбросов угля, породы и газа приводят к возрастанию разрыва между потенциальными возможностями прогрессивной технологии, механизации и организации подземных горных работ и фактическими 'показателями.
Эффективность использования вертикальных скважин, пробуренных с поверхности для дегазации подрабатываемого массива, резко снижается с глубиной.
Для предотвращения внезапных выбросов угля и газа при отсутствии защиты проводились промышленные испытания гпдрорасчленения, показавшие его перспективность, но недостаточная управляемость процессом ограничивает область применения метода в традиционном варианте и позволяет добиться только снижения, а не ликвидации выбросоопаспости. ; В то же время несомненные преимущества профилактической подготовки газовыбросоопасного углепородпого массива к эффективной н безопасной отработке через наземные скважины требуют дальнейшего научного и инженерного поиска совершенствования способов дегазации и предотвращения выбросов угля, породы и газа.
Большинство вышеуказанных недостатков этих способов могут быть устранены при усложнении профиля скважины с переходом на воздействие па углепородный массив через наклонные скважины или скважины с горизонтальным окончанием ствола.
Имеющийся в отечественной и зарубежной нефтегазовой промышленности опыт проведения скважин сложного профиля не может быть перенесен в условия угольных месторож-
дений без соответствующих корректив и разработки ряда новых технологических решений 'по целому комплексу причин.
В этой связи повышение эффективности управления состоянием газовыбросоопасного углепородного массива на глубоких шахтах через скважины сложного тірофиля, 'пробуренные с поверхности, вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в угольной промышленности.
Тема диссертации, в которой изложены научно обоснованные технологические решения по управлению состоянием вы-брссоопасного углепородного массива; может быть признана актуальной и имеющей важное народнохозяйственное значение.
Цель работы — разработка новых технологических схем управления свойствами и состоянием газовыбросоонаснсто углепородного массива через наземные наклонные ті условно-горизонтальные скважины для увеличения коэффициента дегазации выемочных участков глубоких шахт и снижения выбро-соопасности угольных 'Пластов и газоносных песчаников, обеспечивающих повышение эффективности' ведения горных ра* бот.
Идея работы заключается в том, что управление газодинамическим состоянием углепородного массива осуществляется через наземные скважины сложного профиля, фильтрующая часть которых имеет значительно больший контакт с продуктивными пластами, чем вертикальные скважины, за счет придания ей наклонного или горизонтального положения.
Методы исследований. В-работе попользованы:-комплексный метод исследования, включающий анализ литературных и фондовых источников; методы теории функции -комплексного--переменного и математической статистики с использованием ЭВМ; фотометрическое моделирование; лабораторные и шахтные эксперименты.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Анализ планов торных работ за период до 70 леї'показал, что переход пластов в категорию' выбросоопасных, значительное увеличение газовыделения-из пород и другие негативные последствия перехода горных работ на большие глубины приводит' к снижению технико-экономических 'показателей работы шахт, не компенсируемых достижениями научно* технического прогресса -в технологии, механизации и организации подземных горных работ.
2. Повышение эффективности управления газодинамическим состоянием подрабатываемого углепородного массива на больших глубинах достигается 'применением наклонных- скважин, пробуренных с поверхности; при- условии размещения рабочей части скважины параллельно границе зоны полного сдвижения пород.
-
Управляемость процесса' гидродинамического воздействия-на выбросоопасный углепородньш массив н равномерность его обработки достигается при воздействии на массив через' скважину с горизонтальным окончанием'ствола, разделенным на последовательные интервалы', и'зЬлири'руемые друг от друга на момент обработки. ' * '
-
На приток газа к скважине радиусом «г», находящейся от газового коллектора на расстоянии «а», помимо проницаемости и давления газа'влияёт'геометрйчёскйи фактор, определяемый отношением «а»/«/-». Для увеличения глубины дегазации наклонный участок наземной' дегазационной скважины должен располагаться на минимально" допустимом технически расстоянии от ближайшего к разрабатываемому пласту газового коллектора.
-
Предельная длина горизонтального ствола скважины определяется по критериям осевой нагрузки, передаваемой на долото, и нагрузки на крюк при подъеме инструмента. Для условий угольных шахт при ведении горных работ на глубинах 900—1200 м и углах падения пластов 0—20 указанная длина составляет 350—;1665 м с ее увеличением при снижении условно-горизонтального участка.
-
Контроль эффективности снижения пыбросоопасностн песчаника в зонах гидродинамического воздействия должен осуществляться только по делению кернов па диски, так как другие методы оценки не учитывают специфических особенностей изменения состояния н свойств песчаника в результате данного воздействия.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
положительным опытом строительства и эксплуатации скважин сложного профиля на глубоких шахтах Донбасса, доказавшим техническую возможность проводки таких скважин в условиях угольных месторождений н их эффективность;
удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и лабораторных исследований с величинами фактических дебатов наклонных дегазационных скважин '(расхождение до 15%) н стабильной работой их в течение длительного времени.
Научная новизна-работы заключается в следующем: установлены Тенденции изменения нагрузки на лаву с глубиной отработки с учетом перехода .пластов'в категорию вы-бросооиаеных и изменением газового баланса'выемочных участков;
установлены закономерности перераспределения напряжений вокруг' наклонного ствола дегазационной скважины вне зоны влияния очистных работ и при ее подработке;
получено аналитическое решение задачи о тіритоке газа к скважине с учетом влияния расстояния от забоя скважины до газового коллектора;
обоснованы параметры технологии дегазации подрабатываемого углепородного массива наклонными скважинами;
установлены закономерности изменения дебитов наклонных дегазационных скважин на разных этапах их функционирования;
определена структура процесса гидродинамического воздействия на выбросоопасный углепородный массив через скважину с горизонтальным окончанием ствола п обоснованы требования к способам и техническим средствам крепления, вскрытия интервалов н их разобщения;
установлены закономерности изменения предельно возможной длины горизонтальной части ствола от глубины ведения горных работ и технических характеристик бурового стайка в условиях угольных месторождений;
обоснован выбор наиболее представительных методов контроля эффективности пгдродннамического воздействия і;;: выбросоопасный песчаник;
установлены закономерности изменения концентрации углеводородов в десорбирующейся нз угля газовой смеси но мере входа горных работ в зону гидродинамического возденст-вня.
Научное значение работы состоит в том, что установленные закономерности управления газодинамическим состоянием газевыбросоопасного углепородного массива через скважины сложного 'профиля на глубоких шахтах являются основой эффективного использования предложенных способов в различных горно-геологических условиях.
Практическое значение работы заключается в:
доказательстве возможности сооружения скважин сложного профиля в условиях угольных месторождений;
разработке технологической схемы дегазации подрабатываемого углепородного массива наклонными скважинами, обеспечивающей сохранность скважины и ее стабильную работу в течение длительного времени, повышение дебнтов скважин в 4—5 раз н возможность использования их как метаио-добывающпх;
разработке технологической схемы поинтервалыюго гидродинамического воздействия на выбросоопасный углепородный массив через скважины с горизонтальным окончанием ствола, вскрытия п разобщения интервалов, позволивших провести гидродинамическое воздействие па углепородный массив с показателями, близкими к проектным;
составлении базы данных, позволяющих выполнить оценку эффективности гидродинамического воздействия на выбросоопасный углепородный массив.
, Реализация работы. Результаты исследований и разработки новых технологии управления газодинамическим состоянием углепородного массива включены в: Программу и методику по разработке метода силового воздействия через скважину с горизонтальным окончанием ствола с целью предотвращения выбросоопасности незащищенных пластов и песчаников, утвержденную Минуглепромом СССР; Проект на проведение гидродинамического воздействия через скважину с горизонтальным окончанием ствола на поле шахты им. Л. А. Скочппского ПО «Донецкутоль», утвержденный ПО «Донецк-уголь»; Проект на дегазацию углепородного массива через наклонные скважины, пробуренные с поверхности на поле шахты «Южно-Донбасская» № 12, утвержденный ПО «До-пецкуголь».
Внедрение трех дегазационных наклонных скважин при отработке пласта т3 на поле шахты им. А. Ф. Засядько ПО «Донепкуголь» позволило увеличить нагрузку на очистной забои па 12%, за счет чего получен экономический эффект в сумме 638,9 тыс. руб. (в ценах 1991 г.).
Варианты способов крепления горизонтального ствола скважины, вскрытия н разобщения интервалов гидродинамического воздействия реализованы па скважине «Допбасс-1», пробуренной на шахте им. А. А. Скочппского ПО «Донецк-уголь». Там же реализован способ освоения скважины с горизонтальным окончанием ствола через вспомогательную вертикальную скважину. Применение этих способов при сооружении, проведении понптервалыгого гидродинамического воздействия и освоении скважины «Допбасс-1» позволило получить экономический эффект в сумме 1579,82 тыс. руб. (в цепах 1991 г.).
Результаты исследований используются в учебном процессе в МГГУ при чтении дисциплины «Управление состоянием массива горных пород».
Апробация работы. Основные результаты работы, отдельные положения и разделы диссертации докладывались на: ученых советах МакНИИ и научно-технических советах ПО «Донепкуголь» п ПО «Укрутлегеология» в составе научных отчетов (Макеевка, Донецк, 1983—1992 гг.); симпозиуме стран — членов СЭВ «Новые технологии подземной добычи угля и перспективы их развития до 2000 г. и на более длительный период» (Караганда, 1983); Всесоюзной научно-практической конференции «Проблемы охраны труда в условиях ускоренного научно-технического прогресса» (Москва, 1988); Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений» (Москва, 1989); секции Центральной комиссии по борьбе с внезапными выбросами угля, породы и газа по Донецкому бассейну (Донецк, 1983—1989 гг.).
Публикация. Основное содержание диссертации опубликовано в 45 научных работах, включая 26 авторских, свидетельств на изобретение.
Структура и объем работы,. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, заключения 'и приложения, изложенных на 376 страницах машинописного текста, содержит 77 рисунков, 55 таблиц, список литературы из 128 наименований.
'Автор .выражает глубокую благодарность .коллективу кафедры ТПУ МГГУ, ведущим специалистам ПО «Донецк-уголь», «Укруглегеология» и МакНИИ за 'практическую, ломоть в проведении исследований. .,
