Проект по бурению подземных дегазационных скважин

Источник: http://www.peer.org.ua/Project-2r.html

На основании рекомендаций экспертов из MSHA и других специалистов и с учетом неоднократных запросов со стороны украинских шахт, сотрудники ПЭЭР приступили к осуществлению проекта бурения горизонтальных дегазационных скважин, финансируемого за счет гранта Минтруда США. Проект будет выполняться сначала на одной из украинских шахт, после чего технология и оборудование для бурения длинных скважин будут переданы украинской стороне для использования на других шахтах. Этот проект начат в октябре 2004 г.

Для обоснования целесообразности проекта имеет смысл кратко описать существующие условия и практику дегазации на шахтах Украины, характеристики угольных пластов и особенности проектирования шахт. Все украинские угольные шахты считались бы в Америке чрезвычайно опасными по газу. Американским управлением шахтной безопасности (MSHA) установлены правила проверок таких шахт, частота которых зависит от интенсивности газовыделения за сутки. Шахты, на которых выделяется 6 000 м³/сутки, инспектируют каждые 15 дней, соответственно шахты с газовыделением 15 000 м³/сутки – каждые 10 дней, а при 30 000 м³/сутки – каждые 5 дней. В США имеется около 600 подземных угольных шахт, из которых приблизительно 60% не требуют дополнительных проверок, поскольку на них выделяется менее 6 000 м³/сутки, и лишь около 10% шахт требуют проверок каждые 5 дней. Большинство американских шахт отрабатывают пласты, залегающие на глубине 200–300 м, а самая глубокая шахта работает на горизонте 700 м. Большинство из них вскрыты штольнями и лишь менее 20% — наклонными или вертикальными стволами. В среднем, угольная шахта выбрасывает в атмосферу с вентиляционной струей более 30 000 м³ /сутки. Украинские шахты работают на больших глубинах по сравнению с американскими. Средняя глубина залегания рабочих пластов от 600 до 700 м, а несколько шахт работают на глубине свыше 1 000 м. В отличие от американских шахт, в Украине используется система подготовки с одной участковой воздухоподающей выработкой, следствием чего является высокое сопротивление движению вентиляционной струи, в том числе из-за малой площади поперечного сечения воздухоподающих выработок. Проблема еще больше усугубляется из-за того, что эти же выработки используют для доставки и складирования оборудования и материалов, а также из-за деформации арок под действием горного давления, что связано с еще большим сокращением площади сечения выработок. Обычно шахта отрабатывает несколько пластов с использованием вертикальных стволов, пройденных с поверхности, и ряда подземных уклонов и слепых стволов. С увеличением глубины пласты и вмещающие породы содержат все больше метана, который выделяется в процессе горных работ. Зачастую очистные работы приходится приостанавливать, чтобы дать время на разжижение газа воздушной струей и его устранение из зоны горных работ. Такое положение представляет серьезную угрозу безопасности труда, т.к. могут образовываться скопления метана, являющиеся причиной возгораний и взрывов, а следовательно и травматизма и гибели людей.

Для уменьшения опасности скопления метана на украинских шахтах используются дегазационные скважины вкрест простирания, пробуренные со стороны конвейерного или вентиляционного штрека в выше- и нижележащие породы, что позволяет частично извлечь метан из угольного пласта и вмещающих пород до начала очистных работ. Однако имеющееся оборудование позволяет бурить скважины длиной лишь около 70 м. К таким скважинам подсоединяется трубопровод, по которому газ доставляется на поверхность. Метод бурения вкрест простирания является малоэффективным, поскольку породы плохо отдают газ, пока не образуется зона трещиноватости в результате подхода лавы к скважинам. В течение периода между прохождением лавы через скважины и обрушением кровли скважины отдают газ, но после обрушения образуется довольно плотное пространство, закупоривающее скважины, и на этом дегазация скважинами заканчивается. Как уже было сказано, эта система является малоэффективной, дорогостоящей и требующей много времени на подготовку. Наиболее эффективным методом дегазации является бурение вертикальных скважин с поверхности, однако практическое применение этого метода на украинских шахтах пока невозможно из-за большой глубины залегания угольных пластов, отсутствия современного бурового оборудования, а также по причинам финансового характера.

Американская промышленность разработала и усовершенствовала систему направленного бурения горизонтальных скважин длиной более 1 000 м, позволяющую с большой точностью определять и направлять траекторию бурения по всей ее протяженности. Такая система включает в себя буровой станок для бурения длинных скважин и электрогидробур, обеспечивающий возможность регулировать направление бурения и определять точное местонахождение бурильного инструмента. Американская компания REI Drilling, Inc. (далее REI) более 20 лет является одной из ведущих компаний, оказывающих услуги по бурению длинных подземных дегазационных скважин, как в США, так и в других странах. ПЭЭР заключен субконтракт с компанией REI, которая и станет консультантом по проекту бурения. REI будет помогать в проектировании бурового оборудования и самих скважин, обучении бригады бурильщиков и определении участков для бурения.

В августе 2004 г. представители ПЭЭР и REI посетили отдельные шахты для оценки условий с точки зрения их возможного участия в проекте и для проведения семинаров по технологии направленного бурения длинных горизонтальных скважин для дегазации угольных пластов. По рекомендации украинской стороны было решено, что первой шахтой для осуществления бурения по проекту станет Краснолиманская, расположенная недалеко от Донецка. Шахта соответствует всем требованиям в рамках проекта, в частности будет предоставлен участок для обучения бурильщиков; работы по бурению начнутся из полевого штрека, где будет произведена выемка ниши для бурового оборудования. Немаловажно, что условия на Краснолиманской позволяют доставить в шахту буровое оборудование и разместить его. Шахта является сверхкатегорной по газу: газообильность составляет 25–30 м³ на тонну добытого угля. Ш-та Краснолиманская считается одной из самых безопасных и прогрессивных шахт Украины; тем не менее, в июле 2004 г. на шахте произошел взрыв метана, унесший жизни 38 горняков. Вышеперечисленные факторы и стали определяющими при выборе ш-ты Краснолиманской для выполнения первого проекта по бурению.

Чтобы обеспечить условия для последующего применения технологии бурения длинных горизонтальных скважин после окончания проекта, ПЭЭР было принято решение о передаче оборудования украинской буровой компании, имеющей возможность перевозить его на другие шахты. Это позволит внедрить новую систему бурения еще на нескольких шахтах и более широко распространить эту технологию в отрасли. Такой компанией стал государственный холдинг Спецшахтобурение, имеющий огромный опыт буровых работ. Компания была основана в 1966 г. в Донецке, и в ее послужном списке более 462 вертикальных стволов и скважин, как в Украине, так и в России. Компания обладает обширным опытом работы в угольной промышленности и имеет высококвалифицированных специалистов по подземной дегазации и бурению.

В феврале 2005 г. были закончены переговоры по закупке бурового станка фирмы J.H. Fletcher, Co, расположенной в г. Хантингтон, шт. Западная Виржиния. В настоящее время Fletcher заканчивает проектирование машины с учетом условий на украинских шахтах и планирует отгрузку комплекта оборудования на август 2005 г. Предполагается, что еще до окончания изготовления бурового станка представители Спецшахтобурения, включая бурильщиков, мастеров и руководителей компании, побывают на заводе Fletcher и увидят почти готовое буровое оборудование, после чего посетят две американские шахты, где компания REI осуществляет бурение длинных дегазационных скважин с использованием аналогичных станков.

В феврале 2005 г. делегация представителей руководства Минтопэнерго, Госнадзорохрантруда, института МакНИИ и Спецшахтобурения побывали в США, где провели ряд встреч с американскими государственными организациями, университетом шт. Кентукки и фирмами-изготовителями оборудования. В Вашингтоне делегация встретилась с представителями Минтруда США, в частности из отдела международных программ (ILAB) и управления шахтной безопасности (MSHA), и Агентства США по охране окружающей среды (EPA). После этого делегация поехала в г. Вилинг, шт. Зап. Виржиния и посетила сертификационный центр MSHA. Далее украинские специалисты провели несколько дней в академии обучения безопасности MSHA, где был проведен семинар представителем REI Drilling. Кроме того, было организовано посещение шахты Massey Upper Big Branch. Из Бекли делегация поехала на встречу с руководством ф. Fletcher в г. Хантингтон, где были подписаны окончательные соглашения по изготовлению и закупке бурового оборудования. Следующим пунктом стал Барбувиль, шт. Кентукки, где делегация побывала на ш-те Сloverlick угольной компании Black Mountain Resources. Поездка завершилась посещением университета шт. Кентукки в городе Лексингтоне, где для украинских специалистов был проведен ряд семинаров и организовано посещение лабораторий горного факультета.

Предложенная американской стороной система бурения прежде в Украине не применялась. Компания REI поможет смонтировать оборудование в специально подготовленной для этого камере, расположенной на штреке. Из этой камеры будут пробурены три скважины длиной до 1 000 м вдоль панели с интервалом около 50 м на расстоянии около 35–40 м выше рабочего пласта (К-5). Скважины будут бурить таким образом, чтобы они оставались в пределах мощности вышезалегающего пласта-спутника, насыщенного метаном. Все три скважины будут подсоединены к системе шахтного газопровода. Бурение будет закончено до монтажа лавного оборудования и, соответственно, до начала очистных работ. Предполагается, что при приближении лавы к скважинам произойдет растрескивание вышезалегающих пород (и пласта-спутника), вследствие чего из скважин будет выделяться метан, который и будет извлечен из шахты средствами системы шахтной дегазации. После прохождения лавы будут разрушены только нижняя (начальная) часть ствола скважины и отрезок, расположенный над выработанным пространством, в то время как за забойной частью скважина останется неповрежденной и будет продолжать отдавать газ. Таким образом, планируется решить проблемы, связанные с применением скважин вкрест простирания, срок эксплуатации которых весьма непродолжительный. Из скважин, пробуренных по проекту, можно будет извлекать метан в течение всего периода отработки панели. Эта система успешно применяется на нескольких шахтах США, имеющих условия сходные с шахтой Краснолиманской.