Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 10
1.1 Извлечение метана из разгруженного от горного давления углегазоносного массива вертикальными скважинами 10
1.2 Эффективность предварительной пластовой дегазации 24
1.3 Комплексная технология дегазации угольных пластов - извлечение метана пластовыми скважинами в зонах ГРП 26
1.4 Анализ информации о способах подземной дегазации 29
1.4.1 Анализ патентной информации 29
1.4.2 Анализ научно-технической информации об эффективности подземных способов скважинного извлечения шахтного метана 30
1.4.3 Тенденции развития подземных способов дегазации 32
1.5 Анализ применения схем управления газовыделением с использованием изолированного отвода метана 39
1.6 Способы определения допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору 42
1.7 Цели и задачи исследований 44
2 Аналитические исследования газового баланса высокопроизводительного выемочного участка и определение допустимой нагрузки на очистной забой 47
2.1 Разработка модели формирования газового баланса высокопроизводительного выемочного участка и допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору 47
2.2 Исследования и анализ основных факторов, определяющих структуру газового баланса выемочного участка 55
2.3. Прогноз газовыделения выемочного участка по данным фактического газовыделения в лаву-аналог 62
3 Оценка потенциального уровня извлекаемое метана из угольных пластов для обоснования эффективных параметров технологии снижения газовыделения при дегазационной подготовке угольных пластов 68
3.1 Характеристика объекта исследований 69
3.2 Исходные данные 70
3.3 Параметры дегазации угольного пласта 71
3.3.1 Обоснование величины пластового давления 71
3.3.2 Определение проницаемости угольного пласта и эффективного радиуса зоны питания скважины 73
3.3.3 Определение потока сорбированного метана из зоны дезинтеграции угольного пласта 79
3.3.4 Определение потока свободного метана через границу зоны дезинтеграции угольного пласта 82
3.3.5 Определение потока свободного метана из пород кровли и почвы в зону дезинтеграции угольного пласта 83
3.3.6 Результаты расчета 84
4 Выбор способа и обоснование параметров комплексной дегазации высокопроизводительного выемочного участка 87
4.1 Оценка требуемой глубины дегазации разрабатываемого пласта 87
4.2 Оценка эффективности пластовой дегазации разрабатываемого пласта 89
4.3 Обоснование параметров комплексной дегазации разрабатываемого пласта 91
4.3.1 Проектные параметры гидрообработки 91
4.3.2 Оптимизация расстояния между пластовыми скважинами 93
4.3.3 Описание работы программы 98
4.4 Совершенствование системы контроля и прогноза газообильности горных выработок 100
4.5 Методика расчета производительности вакуум-насоса для отсоса метано-воздушной смеси из выработанного пространства 103
4.5.1 Последовательность расчета 104
4.5.2 Пример расчета 108
5 Технико-экономическое обоснование комплексной технологии дегазационной подготовки газоносных угольных пластов 113
5.1 Обоснование допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору в условиях шахты «Котинская» 113
5.2 Аналитическая методика расчета допустимой нагрузки на очистной забой 116
5.3 Оценка экономической эффективности комплексной дегазации 122
Заключение 127
Список использованных источников 128
Приложение 140
- Эффективность предварительной пластовой дегазации
- Исследования и анализ основных факторов, определяющих структуру газового баланса выемочного участка
- Определение проницаемости угольного пласта и эффективного радиуса зоны питания скважины
- Оценка эффективности пластовой дегазации разрабатываемого пласта
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие угольной промышленности в последние
годы характеризуется ростом эффективности производства,
сопровождающимся существенным усложнением условий труда. Несмотря на значительный рост уровня механизации производственных процессов, угольная промышленность остается одной из наиболее трудоемких и опасных отраслей производства.
Применение высокопроизводительной техники позволило существенно увеличить нагрузку на очистные забои за последнее десятилетие (в 2008 г. она превысила 3000 т/сут), что, однако, в несколько раз меньше нагрузки достигнутой ведущими угледобывающими странами. Частично это объясняется более высокой газоносностью угольных пластов.
Современный уровень применяемой техники позволяет обеспечивать нагрузки на очистные забои в 10000-^15000 и более тонн в сутки. При таких нагрузках даже в шахтах III категории газовыделение добычного участка может достигать 30-40 и более м3/мин - в этих условиях возможности вентиляции практически исчерпаны. Метан, выделяющийся в горные выработки, сдерживает темпы добычи угля, повышает его себестоимость и снижает уровень безопасности труда шахтеров.
Использование высокопроизводительной техники приводит к обострению проблем воспроизводства фронта очистных работ и метанобезопасности, так как сокращаются возможные сроки дегазации, снижается ее эффективность. В условиях преобладания способов текущей дегазации, имеющих значительно более высокую эффективность, и значительного роста нагрузки на очистные забои ограничивающим фактором становится газовыделение из разрабатываемого пласта. Снижаются и темпы проведения подготовительных выработок, которые в ряде случаев (например, на выбросоопасных пластах) не превышают 30-50 м/мес, в то время как подвигание очистных забоев даже при
нагрузке 5000 т/сут в зависимости от горно-геологических и технологических условий достигает 140-180 м/мес. До сих пор действующие нормативы предусматривают темпы подвигания очистного забоя до 6 м/сут, в то время как при имеющихся нагрузках они в 2-3 раза выше. Отсутствуют современные методы определения допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору.
Основная проблема угольного метана - метанобезомасность угольных шахт. За постсоветский период (1991 - 2009 гг.) на шахтах России произошло более 200 взрывов, число пострадавших составило более 1400 человек. Взрывы и вспышки метана инициируют взрывы угольной пыли, сопровождаются тяжелым материальным ущербом и большим числом человеческих жертв.
Смертельный травматизм на газовых шахтах в нашей стране в десятки раз превышает аналогичные показатели в основных угледобывающих странах мира. Технико-экономические показатели работы газовых шахт на 40-50% ниже, чем не газовых в аналогичных горно-геологических и горнотехнических условиях. Следует отметить не только перспективы увеличения нагрузок на очистные забои, но и планируемый рост доли угля в топливно-энергетическом балансе страны.
В этих условиях обеспечение эффективного управления метановыделением разрабатываемого пласта при высокопроизводительной отработке газоносных угольных пластов на основе комплексной дегазации является актуальной научной задачей.
Целью работы является разработка рекомендаций по выбору технологии комплексной дегазации высокогазоносных угольных пластов на основе их предварительной дегазации для обеспечения необходимого уровня метанобезопасности при интенсивной угледобыче и ее адаптации к условиям газоносных высокопроизводительных участков шахт ОАО «СУЭК — Кузбасс».
Идея работы заключается в обосновании необходимости применения комплексной дегазации разрабатываемых угольных пластов на основе обеспечения интенсивного извлечения метана скважинами подземной
пластовой дегазации в зонах гидродинамического воздействия с учетом требуемого съема метана и интенсивности отработки запасов. Основные научные положения, выносимые на защиту:
модель формирования газообильности очистной выработки, базирующаяся на использовании законов газовой динамики и обеспечивающая определение предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору;
- метаноизвлекаемость из неразгруженных от горного давления угольных
пластов определяется на базе учета поступления метана из всех источников и
вклада внутреннего источника в виде сорбированного газа;
- в условиях интенсивной отработки запасов газоносных угольных
пластов метанобезопасность может быть обеспечена применением дегазации
разрабатываемого угольного пласта с использованием пластовых скважин в
зонах гидрорасчленения, параметры заложения которых определяются
требуемым съемом метана и продолжительностью дегазации.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
анализом научно-технических материалов и литературных источников по известным способам борьбы с метаном в угольных шахтах;
представительным объемом шахтных исследований и анализом горногеологических, горнотехнических условий, программы развития горных работ и оценкой эффективности применяемых на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» способов борьбы с газом;
- корректным использованием методов математической статистики при обработке результатов исследований;
- удовлетворительной сходимостью результатов апробации методики
определения предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому
фактору с практикой ведения добычных работ на шахте «Котинская».
Научное значение работы заключается в обосновании на базе разработанного методологического подхода к оценке уровня
метаноизвлекаемости из неразгруженных угольных пластов
усовершенствованной комплексной технологии дегазации выемочных участков, включающей подземную пластовую дегазацию в зонах гидродинамического воздействия с параметрами, определяемыми продолжительностью дегазации и интенсивностью отработки запасов. Практическая ценность работы состоит в следующем:
разработана и утверждена основная технологическая документация на дегазационную подготовку угольных пластов для первоочередных объектов работ (шахта «Котинская», лава 5208).
разработана и утверждена программа и методика работ по заблаговременной дегазационной подготовке пласта 52 шахты «Котинская» на участке лавы 5208.
разработаны рекомендации по расчету параметров проветривания выемочного участка лавы 5207 пласта 52 шахты «Котинская»
Реализация работы. Утверждена и принята к реализации технологическая часть проекта заблаговременной дегазационной подготовки пласта 52 лавы 5208 на поле шахты «Котинская» ОАО «СУЭК - Кузбасс».
Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось на ежегодных научных симпозиумах «Неделя Горняка» (2008-2010 гг.), научно-практической конференции в г. Кисеаевске (2008 г.), научном семинаре кафедры ИЗОС (2009 г.) и заседании кафедр «Аэрология и охрана труда» и «Инженерная защита окружающей среды» МГГУ (2010 г.).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 6 печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 25 таблиц, 23 рисунка, список литературы из 112 наименований.
Эффективность предварительной пластовой дегазации
Газоносность угольных пластов ниже зоны газового выветривания практически по всем месторождениям б. СССР растет с глубиной, стабилизируясь на глубинах 400 - 700 м [13-15].
Широкое промышленное применение пластовой дегазации начато с 1960 года. Исследования изменения эффективности дегазации с глубиной показывают, что с увеличением газоносности угольного пласта количество извлекаемого газа растет до глубины 400 — 500 м. В дальнейшем снижение проницаемости пластов приводит к уменьшению дебита метана из скважин.
В условиях высокопроизводительных лав при большой скорости подвигания очистных забоев значительно сокращается возможность применения обычных схем предварительной дегазации из-за уменьшения интервала между окончанием подготовки выемочного столба и началом очистных работ. Это сокращает период активной работы дегазационных скважин. Нормативными документами [16,17] предусмотрена продолжительность предварительной дегазации восходящими (горизонтальными) скважинами не менее 6 месяцев, а нисходящими - не менее 12 месяцев. Как правило, существующие темпы развития горных работ не позволяют обеспечить такого срока. Кроме того, по данным МакНИИ, предварительная дегазация не может обеспечить необходимое снижение газовыделения при скоростях подвигания очистного забоя в 1,5-1,8 раза выше существующих.
Эффективность предварительной дегазации определяется газопроницаемостью угольных пластов, сеткой заложения скважин и продолжительностью их эксплуатации, достигая в благоприятных условиях 20%. Количество извлекаемого метана при применении данного способа (например, в Карагандинском бассейне) с увеличением глубины залегания пластов постоянно возрастает, однако это происходит не за счет расширения области его применения, а вследствие увеличения плотности бурения скважин и увеличения срока дегазации. Доля метана, извлекаемого этим способом, постоянно снижается и сейчас не превышает 6%.
Более высокую эффективность обеспечивает применение пересекающихся скважин [18], однако и этот способ не обеспечивает необходимой эффективности дегазации при высокопроизводительной отработке запасов угля.
Следует отметить, что наблюдается значительное расхождение в оценке эффективности предварительной дегазации (табл. 1.10).
Таблица 1.10 Эффективность предварительной дегазации разрабатываемого пласта по различным источникам
Наиболее широко данный способ применяется на шахтах Карагандинского бассейна. При этом съём метана в основном не превышает 1 м3/т. Более высокие показатели связаны со значительным увеличением времени работы скважин. Так в условиях шахты им. Ленина съем метана на тонну подготавливаемых запасов на глубине 350-500 м при сроке работы пластовых скважин до 56 месяцев находится на уровне 2,7-3,2 м /т при эффективности способа 15-18 % [19]. Газовыделение из скважин, пробуренных по пласту Дб, имеет резкую динамику снижения. Результаты исследований показали, что начальное удельное газовыделение метана находится на уровне 0,82-0,98 м с одного погонного метра скважины в сутки, а по истечению трех месяцев оно снизилось до 0,24 м3/(м-сут).
Следует отметить, что более высокие данные, представленные в табл. 1.10 в основном соответствуют меньшим глубинам залегания угольных пластов - порядка 350-500 м, а более низкие показатели охватывают интервал глубин до 700 м.
Повысить эффективность пластовой дегазации возможно при комплексном способе, когда пластовые скважины бурятся в зонах гидрорасчленения. Коэффициент интенсификации газовыделения при этом составлял 3-7, а концентрация метана изменилась от 21 до 90 % и среднем составляла 48 %, что выше, чем у обычных пластовых [20]. Отличительной чертой данной технологии является отсутствие этапа освоения скважин и кардинальное сокращение периода извлечения метана.
По опыту шахт Карагандинского бассейна работа очистного забоя с нагрузкой более 1000 т/см на мощном газоносном пласте требует достижения эффективности дегазации 0,75-0,80. Установлено, что при сроке дегазации до 2 лет на глубинах свыше 450 м применение комплексного метода, включающего гидравлическое расчленение пласта через вертикальные скважины с поверхности, съем газа через подземные пластовые скважины, дегазацию выработанного пространства через вертикальные с поверхности и подземные из горных выработок скважины в купола обрушения, позволяет достигнуть эффективности дегазации участка 0,75 - 0,80. Управление газодинамическим состоянием выемочного участка в условиях действующих горизонтов шахт достигается за счет:
- повышения газопроницаемости и газоотдачи пласта путем его гидрорасчленения поверхностно- и химически-активными рабочими жидкостями;
- глубокого и равномерного съема газа из разрабатываемого пласта через подземные пластовые скважины;
- комплексного использования скважин гидрорасчленения для гидродинамического воздействия на пласт и дегазации выработанного пространства.
Эффективность комплексного метода дегазации очевидно зависит от расхода жидкости, используемой при гидрорачленении, расстояния между пластовыми скважинами, их длиной, проницаемости массива и длительности дегазационных мероприятий.
На поле шахты им. Костенко испытания комплексного метода были проведены в зоне 16 скважин гидрорасчленения, пробуренных с поверхности (скв. ГИП №№ 8-18, 21, 22, 27-29). Объем закачек рабочей жидкости изменялся от 1020 (скв. № 15) до 10255 м (скв. № 8), темпы закачки - от 53 до 87 л/с. На участках комплексной дегазации бурилось обычно 15-20 пластовых скважин с расстояниями между ними 10-12 м. Достаточно невысокие темп нагнетания воды в скважины ГРП и в ряде случаев уменьшенные до 1000-2000 м объемы закачки объясняются близостью горных выработок.
Исследования и анализ основных факторов, определяющих структуру газового баланса выемочного участка
Известно, что по нормам ТБ максимально допустимая скорость воздуха при проветривании очистного забоя составляет Fmax= 4 м/с. При сечении выработки S04 максимально допустимый расход воздуха составляет Допустимый приток метана в струю с учетом потерь расхода воздуха в выработанное пространство (эмпирический коэффициент 1,2) и разбавления свежей струи на пути движения до очистного забоя метаном на 10%, составляет где Скр - критическое содержание метана в исходящей струе по нормам ТБ, По данным геологии в лаве 5203 природная метаноностность угля на сухую без зольную массу составляет qr=l 1 м /т. С учетом влажности 3% и зольности 7% для расчета метаноносности пласта используем поправочный коэффициент 0,9, в соответствии с которым имеем На рисунке 2.2 представлены результаты расчета дебита метана в очистную выработку из всех перечисленных источников, для случая работы лавы 5203 на шахте «Котинская». При заданных физико-технических параметрах работы наибольший вклад в приток метана в выработанное пространство обеспечивают два источника - это очистной забой и отбитый уголь. Что касается притока метана, поступающего из кровли и почвы, то его величина не превышает 2%. Горизонтальной линией на рисунке 2 показан допустимый по требованиям ТБ приток метана в очистной забой, составляющий 17,35 м3/мин. Расчет выполнен по формуле (2.18). Судя по графику, допустимый предел выделения метана в призабойное пространство достигается при нагрузке на очистной забой более 40 тыс. т в сутки.
На рисунке 2.3 представлены для сопоставления расчетные значения различных методик расчета: - зависимость 1, построенная в соответствии с Руководством МакНИИ [16,33]; зависимость 2 это допустимое по нормам ТБ газовыделение в очистной забой, рассчитанное по формуле (2.18); - зависимость 3, построенная по расчетной формуле (2.14); - зависимость 4, построенная ОАО «НЦ ВостНИИ» на основе анализа экспериментальных данных [68]; - экспериментальные точки 5, полученные в процессе эксплуатации лавы 5203. Отметим, что зависимость 1, построенная по базовой Методике отражает ситуацию с большой погрешностью и не может быть использована при проектировании добычных работ в условиях шахты «Котинская» с высокими нагрузками на очистной забой. Так, например, базовая Методика прогнозирует, что нагрузка на очистной забой для лавы 5203 не должна превышать 18 тыс.т/сут, при которой газовыделение достигает критической величины 17,35 м /мин. Как показывает производственный опыт безопасные нагрузки могут быть в 2-3 раза выше. Корреляционная зависимость 4 отражает ситуацию более достоверно, однако ее построение основано на использовании только фактических данных и поэтому не может отражать физических особенностей процессов газовыделения и свойства углепородного массива. Данная зависимость построена при предположении, что существует определенное значение суточной нагрузки на очистной забой, при котором абсолютное газовыделение достигает своего максимума. В соответствии с этой зависимостью газовыделение в очистной забой имеет предельное значение (на рисунке 2.3 это И м/мин).
Очевидно, это положение противоречит законам газовой динамики угленосного массива и производственной практике. Наличие такой ситуации может быть объяснено завышенными данными по газоносности угольных пластов, неравномерностью отработки и газоносности. Наиболее достоверно ситуацию отражает зависимость 3. Все экспериментальные точки с максимальным газовыделением находятся в близком соответствии с теорией. Зависимость 3 действительно отражает факт, что с ростом нагрузки на очистной забой газовыделение возрастает, но не столь интенсивно как по действующему «Руководству » и это объясняется естественными притоками метана из газоносного пласта. В то же время фактические результаты работы забоя (экспериментальные точки 5 на рисунке 2.3) не отражают реальный производственный процесс. По факту газовыделение при нагрузках более 30-35 тыс.т/сут оказалось меньше, чем при нагрузках 15-20 тыс. т/сут, что невозможно. Такое грубое несоответствие может быть обусловлено, кроме вышеуказанных причин, погрешностями измерений или неучтенными производственными и организационными факторами. Теоретический прогноз, выполненный по разработанной методике в тех же условиях, указывает на предельную нагрузку на очистной забой выше 40 тыс. т/сут. Различие по отношению к базовой Методике почти в два раза, весьма существенно. При этом если принимать во внимание, что фактически лава 5203 эффективно эксплуатировалась при нагрузках более 30 тыс.т/сут (максимум 38 тыс.т/сут), то прогноз по новой Методике представляется более достоверным, по сравнению с прогнозом по базовой Методике. По аналогии с выполненными расчетами нами выполнен прогноз нагрузки на очистной забой для лавы 5207. По сравнению с лавой 5203 отличие заключается в том, что газоносность пласта выше и составляет 12,5 нм3/т с.б.м. 0,9=11,25 м3/т. Плотность угля принята 1,3 т/м .
Если остальные параметры оставить неизменными, то, как показано на рисунке 2.4, максимально допустимая нагрузка на очистной забой составляет 40 тыс. т/сут, что соответствует критической величине газовыделения 17,35 м3/мин. Отметим, что в рекомендациях НЦ ВостНИИ прогнозируется допустимая нагрузка величиной не более 24,4 тыс.т/сут. При этом специалистами НЦ ВостНИИ принято, что в новых условиях работы очистного забоя 5207 критическое значение газовыделения составляет 15,47 м /мин. Если, по аналогии с ВостНИИ принять критическое значение газовыделения 15,47 м3/мин, то расчеты по новой Методике приводят к критической нагрузке 32,2 тыс. т/сут, что все равно превышает прогноз НЦ ВостНИИ для лавы 5207, составляющий 24,5 тыс.т/сут.
Определение проницаемости угольного пласта и эффективного радиуса зоны питания скважины
В технологиях извлечения метана из неразгруженных угольных пластов важное практическое значение имеет определение значений проницаемости угольного пласта и его изменение в процессе целенаправленных физических воздействий, в том числе после гидравлической обработки. Величина проницаемости угля является основной физической характеристикой угля, по которой определяют технологические параметры последующей дегазации угольного пласта, в том числе ожидаемый дебит скважин. Связь между проницаемостью угля и дебитом определяется на основе физического процесса фильтрации газа из массива к скважине. Если угольный массив однородный, то связь между дебитом газа и проницаемостью угля действительно выражается линейной зависимостью [80]. Однако в случае представления угля в виде блочной среды более справедливым является понятие о двух уровнях фильтрации и проницаемости: - первый уровень обусловлен каналами проводимости между отдельными блоками; - второй уровень обусловлен каналами проводимости внутри отдельных блоков.
Из этого следует, что проницаемость проявляет масштабный эффект и ее величина, определенная в лабораторных условиях на кернах, существенно отличается от проницаемости угольного пласта. В то же время, дебит скважин зависит проницаемостей обеих уровней. Если первый уровень проницаемости определяется в лабораторных исследованиях на основе испытаний кернов, то второй уровень может быть определен на основе гидродинамических испытаний пласта, как в процессе его первичной гидрообработки, так и по результатам анализа динамики газовыделения. В действительности между коэффициентом фильтрации жидкости в пласте и проницаемостью второго уровня существует линейная зависимость [81].
В проведенных ранее исследованиях в МГГУ разработана теоретическая модель гидравлического расчленения угольного пласта [82], учитывающая самые главные закономерности изменения коэффициента фильтрации в зависимости от величины давления гидравлического потока в пласте. В основу модели положен линейный закон Дарси с переменным коэффициентом фильтрации, зависящим от давления жидкости и имеющим гистерезис на стадии падения давления жидкости. Граничные условия заданы в виде произвольного расхода жидкости на контуре скважины. В модели также учитывается скачкообразный рост коэффициента фильтрации в момент начала роста трещины под действием критического давления Ркр жидкости, последующий рост и падение коэффициента фильтрации по мере изменения давления. Подробное описание модели, численного метода решения и результатов компьютерного моделирования подробно изложены в работах [83-85].
В данной работе нами сделано дополнение, заключающееся в определении остаточного коэффициента фильтрации угольного пласта после завершения гидрообработки.
Рассмотрим случай, когда из решения обратной задачи фильтрации, в результате сопоставления теоретической и фактической зависимостей системы следующем порядке. Допустим в процессе гидрообработки пласта, вдоль всего периметра на некотором расстоянии от оси скважины было реализовано максимальное давление 20МПа. К этому времени элементы угля, расположенные вдоль всего периметра, прошли ряд структурных преобразований, а именно: до начала гидрообработки уголь имел коэффициент фильтрации 0=0,11 м/сут, который сохранялся неизменным вплоть до величины критического давления Ркр=17,5 МПа, после достижения которого коэффициент фильтрации резко увеличился, вследствие стартового роста трещин, и достиг величины Кр=3,0 м/сут. Наконец, давление на указанном расстоянии от оси скважины достигло максимальной величины Рмакс=20МПа, при этом коэффициент фильтрации также увеличился, вследствие продолжающегося раскрытия трещин, и принял значение К(Рмакс)
Далее пласт испытал полномасштабную гидрообработку и конце концов давление, после осушения, понизилось до нуля. Вследствие понижения давления произошло частичное закрытие трещин. Полного закрытия произойти не может вследствие изменения напряженного состояния пласта, наличия остаточных деформаций и угольного штыба в раскрытых трещинах, а также пропанта в случае его использования при гидрообработке. Остаточный коэффициент фильтрации принимает значение К(0)
Аналогичным путем определяются остаточные коэффициенты фильтрации по всем периметрам вдоль радиуса гидрообработки. Эта методика имеет программное обеспечение и компьютерную реализацию. На рис.3.4 представлен режим гидрообработки пласта со следующими параметрами: мощность пласта - 4,5 м; глубина залегания - 320м; пористость пласта в обычных условиях - 0,025; радиус скважины на контакте с пластом - 0,2 м. Начальный участок гидрообработки происходит при расходе жидкости 20 л/с, затем расход повышают до 80 л/с.
Расчзт Q(t) со следующими параметрами радиус расчета г= 2 м, мощность пласта Н=0 0 м, глубина скважины L--v00 м, пористость п0=0 015, dr=0 25 м dt=0 2 с л/с 80 01 1 1 1 1—і 1 1 1 1 С учетом давления столба воды в скважине рассчитывается давление, которое должен развивать насосный агрегат. Так, например, максимальное давление жидкости составляет 15,2 МПа. Следовательно, чтобы обеспечить заданный режим, насосный агрегат должен развивать давление не менее 12 МПа.
Оценка эффективности пластовой дегазации разрабатываемого пласта
Пластовая дегазация разрабатываемого пласта используется в двух вариантах: предварительной и передовой дегазации. При применении в качестве передовой дегазации используется эффект повышения газопроницаемости угольного пласта в результате перераспределения горного давления перед очистным забоем. Протяженность зоны передового влияния очистного забоя зависит от физико-механических свойств пласта и смещающих пород, глубины разработки и мощности пласта, скорости подвигания очистного забоя и способа управления горным давлением. По результатам шахтных наблюдений в основных бассейнах СНГ она составляет 40-80 м [24] а зона повышенного газовыделения не превышает 50%. Максимальное расширение пласта в этой зоне достигает 0,4% его мощности. Проницаемость угольного пласта определяется раскрытием и густотой трещин. В случае допущения, что все расширение равномерно распределяется на все трещины, то при густоте - и первичном раскрытии. В работе [92] обоснована зависимость для расчета проницаемости изотропного трещиноватого пласта: где а - коэффициент, зависящий от геометрии трещин, а 1; Г— густота трещин (отношение числа трещин к длине нормали), 1/м; до - раскрытие трещин, м. Необходимо отметить, что при высокопроизводительной отработке основным фактором становится скорость подвигания очистного забоя, т.к. в условиях шахты «Котинская» она составляет от 3,7 м/сут при нагрузке 5000 т/сут до 26 м/сут при нагрузке 35000 т/сут. В этих условиях продолжительность передовой дегазации снижается с 10 до 2 дней, что приводит к соответствующему снижению съема метана. Следует отметить, что с повышением темпов подвигания очистного забоя сокращается и зона перераспределения горного давления. Таким образом, даже при максимальном газовыделении 1 м /мин и, как следствии, среднем - не более 0,5 м /мин, объем извлечения снижается с 7,2 тыс. м /скв. до 1,4 тыс. м /скв., последняя величина соответствует удельному съему в 1 м /т при расстоянии между пластовыми скважинами в 1 м или 0,1 м /т при расстоянии между ; пластовыми скважинами в 10 м. Для уточнения параметров угольного пласта, параметров заложения пластовых скважин и эффективности предварительной дегазации было пробурено три экспериментальные скважины, схема расположения которых представлена на рис. 4.1.
В ходе исследований в течение месяца осуществлялись ежедневные замеры дебита метана, результаты которых приведены в Приложении А. кроме того были выполнены замеры кривых восстановления давления в пластовых скважинах (Приложение Б), по результатам которых в соответствии с рекомендациями [89,90,94] была уточнена проницаемость угольного пласта 52, составившая около 0,01 мД. С учетом результатов данных исследований пластовые скважины при дегазации лавы 5207 были заложены под углом 68 град. В ходе дегазации пласта 52 в течение 385 дней было извлечено 5305 тыс. мЗ метана (Приложение В). При дегазируемых запасах 4905 тыс. т удельный съем составляет 1,08 мЗ/т. При сокращении продолжительности дегазации пластовая дегазация уже не обеспечивает нагрузок более 25 тыс.т/мес. Для достижения таких нагрузок эффективность дегазации разрабатываемого пласта должна быть не менее 50%, что на сегодняшний день может обеспечить только заблаговременная или комплексная дегазация в варианте пластовые скважины в зонах гидрорасчленения. 4.3 Обоснование параметров комплексной дегазации разрабатываемого пласта При реализации комплексной дегазации угольного пласта с использованием пластовых скважин в зонах гидрорасчленения основные технологические требования к дегазации могут быть сформулированы следующим образом [ 104]: 1) глубокая равномерная дегазация угленосной толщи по всему шахтному полю; 2) разделение во времени и пространстве горных и дегазационных работ; 3) обеспечение безопасности горных работ; 4) экономическая состоятельность. Выбранная схема дегазации требует определения параметров двух составляющих технологии: параметров гидрорасчленения и параметров заложения пластовых скважин. Основными параметрами воздействия являются радиус обработки, темп закачки рабочей жидкости и объем закачки. Первые два параметра Щ определены для условий шахты в соответствии с рекомендациями ;1 «Отраслевого руководства по заблаговременной дегазационной ; : подготовке высокогазоносных угольных пластов к безопасной и f;.;; эффективной отработке». I.; Максимальный темп закачки рабочей жидкости который в основном и ] определяет радиус воздействия, исходя из горно-геологических условий : подвергаемых гидрорасчленению пластов, рассчитывается по формуле [106]: j где L - заданная протяжённость трещин, 100 м; к- мощность пласта, 4,6 м; пс - среднее число трещин расчленения, 8 шт.; т - пористость, 0,03 долей ед.; К- проницаемость, 0,01-Ю"15 м2; АР - перепад давления вдоль трещин, 10-10 н/м (1,0 МПа); у, - вязкость закачиваемой жидкости, 10"3 н-сек/м2 (1,002 спз); t - время гидрорасчленения, 10000 сек. Таким образом, максимальный темп нагнетания рабочей жидкости для рассматриваемых условий составит: qmax = 82 л/с. Отличительной особенностью комплексной дегазации в условиях ограниченного срока извлечения метана является необходимость минимизации объемов закачки рабочей жидкости при обеспечении проектного радиуса воздействия. Для решения данного вопроса необходимо учитывать структуру угольного пласта в зонах гидродинамического воздействия, в частности такие параметры как размер блоков и раскрытие трещин. Данному вопросу было посвящено достаточно много исследований [22,23,52,107-109 и др.].
