Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса 6
1.1. Выбросоопасность и газоносность как факторы, определяющие технико-экономические показатели отработки угольных пластов 6
1.2. Характеристика применяемых способов снижения газоносности 10
1.3. Способы прогноза выбросоопасности угольных пластов 15
1.4. Анализ способов предотвращения газодинамических явлений 20
1.5. Цель и задачи исследований 25
1.6. Выводы 26
2. Методика проведения исследований 26
2.1. Характеристика объекта исследований 26
2.2. Особенности газовыделения и газоносности угольных пластов в зонах заблаговременной дегазации 55
2.3. Методика проведения шахтных исследований по оценке эффективности заблаговременной дегазационной подготовки 63
2.4. Выводы 67
3. Экспериментальные исследования газоносности и выбросоопасности пласта ДБ на поле шахты им. Ленина 66
3.1. Результаты текущего прогноза выбросоопасности при ведении подготовительных работ 66
3.2. Исследование газообильности подготовительных выработок и газоносности пласта 79
3.3. Эффективность гидрорасчленения по предотвращению газодинамических явлений 90
3.4. Оценка эффективности гидрорасчленения по снижению газообильности очистных забоев 102
3.5. Анализ газовыделения в прогнозные шпуры для оценки расстояния между магистральными трещинами 116
3.6. Выводы 120
4. Технико-экономическая оценка снижения газоносности и выбросоопасности угольных пластов 125
4.1. Результаты исследований при проведении подготовительной выработки в неосвоенной зоне 125
4.2. Внедрение и испытания комплекса воздействий на поле шахты им. Ленина 130
4.3. Рекомендации по уточнению параметров гидропневмовоздействия и ведению горных работ в зонах заблаговременной дегазации 133
4.4. Оценка экономической эффективности заблаговременной дегазации 140
Заключение 142
Список использованной литературы 147
- Характеристика применяемых способов снижения газоносности
- Результаты текущего прогноза выбросоопасности при ведении подготовительных работ
- Эффективность гидрорасчленения по предотвращению газодинамических явлений
- Рекомендации по уточнению параметров гидропневмовоздействия и ведению горных работ в зонах заблаговременной дегазации
Характеристика применяемых способов снижения газоносности
Многолетний опыт применения различных способов снижения газоносности (дегазации) в Карагандинском угольном бассейне доказал их положительную роль в улучшении безопасных условий труда и в обеспечении повышения нагрузок на очистные забои и темпы проведения подготовительных выработок.
Способы снижения газоносности можно классифицировать следующим образом:
- извлечение метана вакуум-насосными установками из дегазационных скважин, пробуренных из горных выработок в угольный массив с опережением горных работ;
- то же с гидроразрывом угольного массива, производимого из специальных скважин из горных выработок;
- гидрорасчленение угольного пласта через скважины, пробуренные с поверхности с последующим извлечением рабочей жидкости и метана из зоны обработки.
Снижение газоносности угольных пластов скважинами, пробуренными из горных выработок, наиболее эффективно применяется на пластах, имеющих повышенную природную газопроницаемость (в основном на пластах, сложенных несколькими пачками угля и достаточно мощными пачками перемятого угля и углистых аргиллитов) [3]. Отличительной особенностью этого способа снижения газоносности является необходимость выдерживания определенного срока предварительной дегазации (извлечения газа), который на основании исследований и практических данных нормативно регламентирован в 6 месяцев для скважин, пробуренных по восстанию, простиранию и вкрест простирания пластов и в 12 месяцев для скважин, пробуренных по падению [4,5,6].
Обобщенные данные по исследованию эффективности этого способа [3] представлены в табл. 1.1.
Следует отметить, что такая эффективность была достигнута на глубинах до 350-400 м. С увеличением глубины разработки эффективность этого способа снижения газоносности падает. Так на шахте им. Ленина в настоящее время уровень извлечения метана пластовыми скважинами за 2-3 года дегазации не превышает 3-3,5 м3/т даже при сетке бурения скважин в 5 метров. Съем метана через скважины, пробуренные из горных выработок, может быть увеличен за счет искусственного повышения фильтрационной способности угля.
Наиболыпе распространение в Карагандинском угольном бассейне получили такие способы интенсификации пластовой дегазации, как гидроразрыв угольного пласта, производимый через дегазационные и специально пробуренные скважины. При этом в пласт насосами 9МГР-61 под давлением 10-15 МПа при темпе 30-40 м /час подают воду в объеме 50-100 м3 на одну скважину. Этот способ интенсификации позволяет на глубинах до 400-450 м увеличить дебит метана в 1,7-5,1 раза [3].
Из других способов интенсификации пластовой дегазации были апробированы торпедирование скважин [7] и солянокислотная обработка пласта [3], но широкого распространения эти способы не получили.
К основному недостатку способов снижения газоносности пласта с извлечением метана из скважин, пробуренных из горных выработок, относится отсутствие специального оборудования для направленного бурения этих скважин. В настоящее время достаточно надежная длина дегазационных скважин составляет 120-200 м. Поэтому при современных длинах лав 150-200 м эти способы не позволяют обеспечить требуемого снижения газоносности для подавляющего большинства подготовительных выработок. Областью применения этого способа являются очистные работы.
В настоящее время в Карагандинском бассейне накоплен значительный опыт гидрорасчленения угольных пластов через скважины, пробуренные с поверхности. Экспериментальные работы по апробированию этого способа заблаговременного снижения газоносности были впервые в СССР проведены в Карагандинском бассейне на шахте им. 50-летия Октябрьской революции в 1957-1963 гг. Сущность гидрорасчленения раскрыта в работах Ножкина Н.В. [8-10] и заключается в многократном повышении проницаемости пласта за счет раскрытия новых и расширения природных трещин и объединении их в единую систему, сообщающуюся через скважину с дневной поверхностью. В целях интенсификации дегазации при гидрорасчленении угольных пластов была предложена солянокислотная обработка [10], а также тепловое воздействие на угольный пласт [11,12].
В табл. 1.2 представлены обобщенные данные оценки эффективности гидрорасчленения угольных пластов на различных шахтах Карагандинского угольного бассейна.
Величина снижения газообильности подготовительных забоев в отдельных случаях достигала 50-60 %. Однако даже такого снижения газоносности в современных условиях недостаточно для эффективного ведения очистных работ. Поэтому широкое распространение получил комплексный метод снижения газоносности, основанный на повышенной проницаемости угольного пласта в результате его гидрорасчленения через скважины с поверхности, с последующим извлечением метана из зон обработки через пластовые скважины.
Оценка эффективности технологии подготовки пласта с использованием гидрорасчленения в сочетании с пластовыми скважинами произведена на шахтах им. Костенко, им. 50-летия Октябрьской революции, «Саранская» по пласту К\2 [13].
Полученные результаты представлены в табл. 1.3. Эти исследования показали, что фактический коэффициент эффективности дегазации в отработанных зонах выше необходимого, что достигнуто за счет интенсификации газовыделения в пластовые скважины в 3-7 раз по сравнению с пластовой дегазацией без обработки пласта.
Результаты текущего прогноза выбросоопасности при ведении подготовительных работ
При оценке влияния гидрорасчленения на снижение выбросоопасности систематизированы результаты текущего прогноза выбросоопасности пласта по начальной скорости газовыделения и выходу бурового штыба из контрольных шпуров. Всего в зонах гидрорасчленения и на сравниваемых участках пласта Д6 было проведено более 5 км подготовительных выработок.
На рис. 3.1 - 3.3 приведены замеры текущего прогноза выбросоопасности вне зон гидрорасчленения соответственно в конвейерных бремсбергах 301-Дб-1В, 302-Д6-1В и 303-Д6-1В. На этих участках пласта Д6 значения показателя выбросоопасности R изменялись в диапазоне от +20 до -7. Графики значений показателя выбросоопасности носят в основном «пилообразный» характер. Это обусловлено тем, что при значениях R 0 (больше критического) в забое выработки бурилась дополнительная серия газодренажных скважин и следующий замер показателя выбросоопасности, производимый через 4 - 4,5 метра подвигания забоя подготовительной выработки осуществлялся в зоне влияния этой серии скважин. Обобщенные значения показателя выбросоопасности на участках пласта Д6 вне зон гидрорасчленения приведены в табл. 3.1.
Однородность средних значений показателя выбросоопасности пласта вне зон гидрорасчленения проверялась нулевой гипотезой равенства средних. Проверка этой гипотезы проведена с помощью /-критерия, распределяющегося по закону Стьюдента с (п - 2) степенями свободы [8].
На рис. 3.4 приведены результаты замеров показателя выбросоопасности в зоне скважины ГРП-10 (конвейерный бремсберг 304-Дб-1В), ГРП-2 (конвейерный бремсберг 305-Д6-1В) и ГРП-3 (конвейерный бремсберг 303-Д6-1В), средний съем метана из зон которых соответственно составлял 2,24; 4,59 и 3,06 м /т. В зонах этих скважин значения показателя выбросоопасности имели неопасные величины.
Значения показателя выбросоопасности в зонах скважин РП-12 (конвейерный бремсберг 301-Дб-1В) и ГРП-4 (конвейерный бремсберг 302-Дб-ІВ) из которых соответственно было извлечено 5,98 и 4,43 м3/т метана представлены на рис. 3.5. В зонах этих скважин, как в прискважинной части зон, так и на ее периферии, наблюдались отдельные значения показателя выбросоопасности больше критического (R 0).
На рис. 3.6. приведены значения показателя выбросоопасности в зоне влияния скважины ГРП-11 (съем метана 3,66 м/т). В периферийной части этой зоны гидрорасчленения значения R в отдельных случаях были больше критического.
На рис. 3.7. приведены значения показателя выбросоопасности в зоне скважины ГРП-5 (конвейерный бремсберг 301-Д6-1В) и ГРП-9 (конвейерный бремсберг 305-Д6-1В) из которых соответственно было извлечено 0,76 и 4,88 м3/т. В этих зонах имели место значения R 0.
На рис. 3.8 приведены значения показателя выбросоопасности в зоне скважины ГРП-6 (разведочный ходок), где наблюдалась довольно высокая вероятность появления значений R 0.
В таблице 3.3 систематизированы результаты прогноза выбросоопасности по показателю R.
Наибольшее снижение показателя выбросоопасности достигнуто в зонах скважин гидрорасчленения ГРП-10 и ГРП-2, где не отмечалось опасных значений этого показателя. В зонах скважин гидрорасчленения ГРП-12, ГРП-9, ГРП-4, ГРП-5 значения показателя выбросоопасности в среднем значительно снижены, однако в зонах этих скважин имели место отдельные значения R 0. На рис. 3.9 показано распределение вероятности появления значений R 0 на различных расстояниях до скважин гидрорасчленения.
В зонах освоенных скважин гидрорасчленения вероятность появления опасных значений показателя выбросоопасности снижена до нулевых значений (зона ГРП-10 и ГРП-2). При меньших объемах извлечения метана остается вероятность появления опасных значений показателя R в периферийных частях зон гидрорасчленения. При незначительных съемах метана вероятность появления опасных значений R сохраняется по всей зоне воздействия. Исключение составляет участок пласта, расположенный на границе зоны гидрорасчленения, насыщение которого рабочей жидкостью происходит в режиме фильтрации.
Следует отметить, что аналогичные зависимости были получены для пласта К)2 на поле шахты «Саранская» (см. рис. 2.16).
Анализ полученных данных показывает, что между величиной съема метана из зоны гидрорасчленения и снижением показателя R нет прямой связи. Так, в зоне скважины ГРП-6, из которой было извлечено наибольшее количество метана и его съем составил 6,9 м3/т отмечались весьма высокие значения R (см . Рис. 3.8) и его среднее значение даже несколько выше, чем на сравниваемых участках пласта. Однако, анализ значений R в зоне ГРП-6 и на участках сравнения показал, что значение ґ-критерия Стьюдента для этих участков равно 3,56, что при уровне значимости 10 % и п-2 степенях свободы свидетельствует о существенном отличии этих участков по этому показателю.
В условиях Карагандинского бассейна выход штыба с метрового интервала шпура изменяется в очень узких пределах 2-4 л/м и основное влияние на величину R оказывает начальная скорость газовыделения с метрового интервала шпура.
Изменение начальной скорости газовыделения по длине прогнозного шпура вне зон гидрорасчленения и в зонах скважин ГРП-10, ГРП-3 и ГРП-2 приведено в таблице 3.4.
Как видно из приведенных данных, величина начальной скорости газовыделения в зонах гидрорасчленения в среднем снижена на 40 - 50 %.
На рис. 3.10 приведены усредненные значения начальной скорости газовыделения с метрового интервала по длине прогнозного шпура в зоне скважины ГРП-3. На этом же рисунке приведены конкретные значения этой скорости при R 0. Из графика видно, что характер изменения начальной скорости газовыделения по длине прогнозного шпура при этом резко отличается от усредненных значений, что обусловлено повышенной трещинной проницаемостью.
Таким образом, высокие значения показателя выбросоопасности в зонах гидрорасчленения обусловлены не фактической выбросоопасностью пласта, а газовыделением с метрового интервала, обусловленным повешенной трещинной проницаемостью массива. В частности, в зоне скважины ГРП-6 несмотря на то, что на момент проведения выработки на поверхность было извлечено 2223 тыс. м3 метана, дебит газа оставался на весьма высоком уровне и составлял 1,3 м /мин.
Эффективность гидрорасчленения по предотвращению газодинамических явлений
Анализ результатов исследований проведенных при проходке подготовительных выработок по особовыбросоопасному пласту Д6 свидетельствует о существенном снижении выбросоопасности в зонах гидрорасчленения. Эффективность этого регионального способа предотвращения газодинамических явлений достигается за счет следующих основных факторов:
- Снижение газоносности и пластового давления при извлечении метана на поверхность;
- Существенное повышение проницаемости пласта в результате гидравлического воздействия.
Снижение газоносности угольного пласта за счет извлечения метана на поверхность в зонах гидрорасчленения составило от 8,3 м3/т (скв. ГРП-6) до 2,7 м3/т (скв.ГРП-9), что в процентном соотношении соответственно составило 34 и 11 %. Средний съем метана из зон влияния скважин гидрорасчленения составил от 2,24 до 6,9 м /т.
Другим важным фактором является существенное повышение проницаемости пласта в результате гидравлического воздействия. Повышение проницаемости пласта способствует эффективному дренажу метана из призабойной части подготовительной выработки. Начальная скорость газовыделения в прогнозный шпур в зонах гидрорасчленения в среднем снижена на 40 - 50 %.
Учитывая то обстоятельство, что прогноз выбросоопасности осуществлялся в ремонтную смену и с момента проведения прогноза до подвигания забоя подготовительной выработки проходило 3 -5 часов еще большая эффективность гидрорасчленения достигнута по показателям прироста газовыделения в забой подготовительной выработки при разрушении угля рабочим органом комбайна. Прирост газовыделения при работе комбайна в зонах гидрорасчленения снижен на 50 - 70 %.
Увеличение проницаемости пласта в зонах гидрорасчленения хорошо иллюстрирует график изменения пористых пористости угля (рис. 3.19).
Как уже отмечалось выше, в зонах гидрорасчленения на основе текущего прогноза выбросоопасности дополнительного бурения скважин 0250 мм в забой выработки не производилось, а вне зон гидрорасчленения выработки проводились с выполнением этого мероприятия. Пласт Д6 опасен не только по внезапным выбросам угля и газа, но и по внезапным прорывам газа с динамическим разломом почвы выработки. Для пласта Д6 основным локальным способом предотвращения этого газодинамического явления служит бурение газодренажных скважин 0 250 мм в почву забоя выработки. В связи с повышенной опасностью пласта Д6 на поле шахты им. Ленина это мероприятие является обязательным и оно применялось на всем протяжении выработок как в зонах гидрорасчленения, так и на сравниваемых участках.
Оценка эффективности гидрорасчленения по снижению вероятности внезапных прорывов газа с динамическим разломом почвы выработки проведена по газовыделению из этих скважин при их бурении.
На рис. 3.20 и 3.21 соответственно представлены графики изменения газообильности выработки при бурении газодренажных скважин вне зон гидрорасчленения и в зоне скважины ГРП-6. Как видно, вне зон гидрорасчленения газовыделение при бурении газодренажных скважин сопровождается значительным газовыделением, обусловливающим основное количество загазирований подготовительных забоев.
На рис. 3.22 приведены результаты замеров прироста газовыделения при бурении газодренажных скважин. Вне зон гидрорасчленения этот показатель составил 1,95 ± 0,55 м3/мин.=, а в зоне скважины ГРП-6 он равнялся 0,3 ± 0,1 м7мин, то есть снижен на 85 %.
В таблице 3.6. представлены результаты замеров газовыделения при бурении газодренажных скважин 0 250 мм и прироста газовыделения при разрушении угля проходческим комбайном на различных расстояниях до скважины ГРП-6.
Проведенные исследования свидетельствуют, что гидрорасчленение значительно снижает вероятность внезапных прорывов газа с динамическим разломом почвы выработки. Причем расчленение оказало свое влияние как на верхнюю ненарушенную часть пласта Дб, так и на его нижнюю перемятую пачку.
В результате снижения выбросоопасности и газоносности пласта, снижения газопроявлений в подготовительный забой темпы проходки в зонах влияния скважин гидрорасчленения значительно выше. Так 450 м в зоне влияния скважин гидрорасчленения ГРП-5 и ГРП-12 конвейерного бремсберга 3 01 - Дб-1В пройдены за 7 месяцев со средним темпом 65 м/мес, то последующие 400 м пройдено более чем за год, причем в отдельные месяцы из-за сложной газовой обстановки темпы проведения выработки составляли 10-30 м/мес. В дальнейшем вне зон гидрорасчленения было принято решение о прохождении парных выработок (см. рис. 2.12).
Рекомендации по уточнению параметров гидропневмовоздействия и ведению горных работ в зонах заблаговременной дегазации
Различные варианты пневмогидровоздействия являются основной для заблаговременной дегазации угольных пластов.
Целесообразность перехода от гидрорасчленения угольных пластов к пневмогидровоздействию определяется повышением фазовой проницаемости по газу, увеличением устойчивости раскрываемых трещин, повышением равномерности обработки при проведении пневмообработки.
Пневмогидровоздействие осуществляется в различных горногеологических и горнотехнических условиях в следующих основных режимах [65]: начальное гидрорасчленение пласта ограниченным объемом воды для создания начальной сети трещин и их дальнейшее развитие путем нагнетания расчетных объемов воздуха с темпом, не превышающим естественную приемистость пласта (в условиях, где имеются ограничения на закачку больших объемов воды); та же схема, но с последующим нагнетанием воздуха с темпом, превосходящим естественную приемистость пласта, для осуществления его дальнейшего расчленения с использованием гидроклина (воздействие, снижающее энергоемкость без существенного снижения фазовой проницаемости пласта для метана водой); гидрорасчленение в полном объеме и сразу же, по окончании самоизлива, нагнетание в пласт воздуха в большом объеме, но с ограничением темпа с последующим освоением скважины станком-качалкой и погружными насосами по известной технологии (повышение равномерности обработки, снижение срока ввода в эксплуатацию скважины гидрорасчленения при закачке больших объемов воды); гидрорасчленение с последующим нагнетанием воздуха с темпом, обеспечивающим пневмоотеснение рабочей жидкости за пределы зон обработки (воздействие, позволяющее исключить освоение скважин известными методами с извлечением вод на поверхность); циклическое пневмогидрорасчленение нарастающими темпами и объемами закачки, обеспечивающее условия для повышения равномерности обработки; знакопеременное пневмогидровоздействие нарастающими темпами и объемами закачки (со сбросом давления). интенсификация газовыделения. В зависимости от горно-технологических условий и принятого проекта возможна различная комбинация перечисленных элементов.
Скорость «затекания» трещин увлажненных углей в 5 - 7 раз выше, чем у неувлажненный. В связи с этим для повышения эффективности активного воздействия в качестве рабочего агента целесообразно использовать газ. Отсутствие в настоящее время технологического оборудования, обеспечивающего пневморасчленение пластов, приводит к необходимости проведения гидропневмовоздействия.
Одним из основных требований является обеспечение необходимого радиуса обработки минимальным количеством рабочей жидкости. Существующие методики определения параметров активного воздействия [65] не учитывают в полной мере возможность обработки пласта двухфазными агентами.
Для каждого цикла в соответствии с радиусом обработки и объемами закачки, определяется насыщенность пласта рабочими агентами, на основе которой корректируется величина эффективной пористости (рис. 4.3).
Негативные явления, происходящие при ведении горных работ в зонах заблаговременной дегазации связаны со следующими причинами:
- наличием необработанных участков между зонами двух соседних скважин;
- неравномерность снижения газоносности;
- повышенным газовыделением в прогнозные шпуры при вскрытии ими магистральных трещин расчленения.
В связи с этим зона заблаговременной дегазации должна отвечать следующим треброваниям:
1. Обеспечивать отсутствие необработанных участков между скважинами.
2. Обеспечивать снижение газоносности до безопасных значений по всей зоне выработки.
Необходимо подчеркнуть, что в процессе обработки кардинально изменяется газодинамика угольного пласта. Это происходит как за счет снижения газоносности и пластового давления, так и в результате повышения проницаемости пласта и улучшения его фильтрационных характеристик, т.е. не только в дегазационных зонах, но и при отсутствии откачки рабочей жидкости. Эту особенность необходимо учитывать при ведении горных работ по выбросоопасным пластам. Это наглядно демонстрирует сопоставление максимального начального газовыделения с метровых интервалов шпура с величиной газообильности забоя подготовительной выработки и учета наличия предупредительных признаков выбросов. По мере роста газообильности до 2 - 3 м3/мин (как на опасных по показателю Rb так и неопасных участках) отмечается рост начальной скорости газовыделения, а затем по мере дальнейшего роста газообильности - снижение или стабилизация qn. При этом высокие значения qnmax (более 8 л/мин) в опасной по показателю R, зоне сопровождаются предупредительными признаками только при низхкой газообильности забоя (до 2 м /мин). При газообильности более 2 м /мин, несмотря на широкий диапазон изменения qnmax (до 30 л/мин) в зонах заблаговременной дегазации и особенно на ее периферийных участках, предупредительных признаков не отмечалось, т.е. участок фактически являлся невыбросоопасным.
Следовательно, при повышении проницаемости пласта и отсутствии глубокой дегазации рост газообильности горных выработок не будет сопровождаться повышением выбросоопасности. Однако для повышения технико-экономических показателей ведения горных работ целесообразно выполнение дополнительных мероприятий, которые в первую очередь будут направлены на снижение показателя выбросоопасности. Основой для принятия решения о проведении дополнительных мероприятий являются зависимости представленные на рис. 2.16. В зависимости от расстояния до выработки и освоенности зоны возможны три варианта:
- освоение без изменения режима;
- проведение пневмовоздействия;
- проведение увлажнения пласта в режиме фильтрации.
Первый вариант применяется при возможном сроке эксплуатации более 2 лет. Второй вариант используется в зонах частично освоенных скважин и расстоянии до выработки до 80 м. Третий вариант предпочтителен при расстоянии до выработок от 60 до 100 м.
При проведении увлажнения объем закачиваемой жидкости определяется в зависимости от расстояния до выработки по выражению (4.1) с увеличением объема закачки на 20%.
