ПРОБЛЕМЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ УГЛЕНОСНОЙ ТОЛЩИ НА ПОЛЯХ ДЕЙСТВУЮЩИХ ШАХТ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ

Л.А.Пучков
Д-р техн. наук, проф.,
Чл.-корр. РАН
(МГГУ)

С.В.Сластунов
Д-р техн. наук, проф.,
(МГГУ)

С.К.Баймухаметов
Д-р техн. наук, проф.,
(УД ОАО “ИСПАТ-КАРМЕТ”)

Приводимые в статье исследования проводились в рамках выполнения проекта Миннауки РФ “Новые технологии извлечения и использования метана из угленосной толщи на полях действующих шахт для повышения безопасности горных работ” и НИР “Разработать и внедрить эффективную технологию заблаговременной дегазации на шахтах Карагандинского бассейна” (заказчик – угольный департамент ОАО “ИСПАТ-КАРМЕТ”).
Цель настоящей публикации – поделиться некоторыми соображениями, более четко сформировавшимися к настоящему времени по обозначенной в названии статьи тематике, а также дать информацию о том новом в технологическом плане, что было сделано за истекший год. При этом в рамках статьи тематика ограничивается лишь рассмотрением одного из аспектов указанной проблемы – заблаговременной дегазацией шахтных полей через скважины с поверхности
В указанном аспекте речь всегда велась об извлечении угольного метана для обеспечения безопасности последующей угледобычи и здесь произошла стыковка двух целей:
извлечение, следовательно, возможная добыча метана;
заблаговременная дегазационная подготовка угольного пласта.
Пути совершенствования любой технологии зависят от выбора основной цели, которую предполагается достигнуть. Она однозначно выбрана – это заблаговременная дегазационная подготовка шахтного поля к безопасной и эффективной разработке.
Необходимо отметить, что шахтные поля при таком подходе не выбираются – это те шахтные поля, где намечена угледобыча. То есть, каков бы объект не был, в каком бы напряженном состоянии не находился пласт, какую бы проницаемость он не имел - его надо подготовить к безопасной и эффективной отработке.
На ряде шахтных полей возможности интенсивного извлечения метана крайне ограничены. Таких полей за 40 лет существования технологии заблаговременной дегазации (ЗД) было не мало. Для условий неразгруженных угольных пластов это скорее правило, чем исключение.
С нашей точки зрения, ошибочен тезис о том, что в любых условиях хорошая технология обеспечит высокий уровень интенсивности извлечения метана.
Угольный пласт – объект с огромным диапазоном свойств и этот объект находится в различных состояниях (это не только разгрузка, связанная с ведением горных работ, но и зональность напряженного состояния, чем занимается такое научное направления, как геодинамика недр и ряд других факторов).
Эффективность заблаговременной дегазации зависит от многих факторов, в том числе и от эффективности извлечения метана из пласта.
Остановимся только на тех из них, которые связаны с инженерными воздействиями, осуществляемыми на высокогазоносный угольный пласт через скважины с поверхности.
Эффективность заблаговременной дегазации зависит от:
качественного и равномерного раскрытия трещин на экономически обоснованном расстоянии от скважины;
объема рабочей жидкости и времени ее выдержки в пласте;
эффективности извлечения метана из пласта.
Эффективность заблаговременной дегазации далеко не всегда коррелирует с эффективностью извлечения метана. Самый близкий пример – последние работы по оценке эффективности ЗД на поле шахты им.Ленина, которые проводились в 2000 г. и продолжаются вестись в настоящее время, так как там ведутся горные работы в зонах 14 скважин заблаговременной дегазационной подготовки, осуществленной по технологии МГГУ (рис.1).
Например, из скв. № 5 извлечено 250 тыс. куб. м метана (т.е. всего 0,76 куб.м/т), при этом снижение газообильности в ее зоне составляет 80%.
Из скв. № 12 извлечено 2 млн куб.м метана (или 6 куб.м/т),при этом эффективность по снижению газообильности в этой зоне в два раза меньше – 42%.И это при всех прочих равных условиях. Причем это не единичный пример только на данном объекте испытаний.
Вывод: эффективность заблаговременной дегазации может достигаться только за счет первых двух факторов, т.е. без извлечения метана из угольного пласта.
Этот вывод подтверждается всем многолетним опытом работ в Донецком и Карагандинском угольных бассейнах.
Несколько примеров:
Достаточно давние работы на поле шахты им.Костенко, скв.№№ 1-7:
газовыделение с 1 м лавы неувлажненного участка в 1,5 раза выше, чем увлажненного;
остаточная газоносность увлажненного угля – 5,46 куб.м/т, неувлажненного 2,12, т.е. в 2,5 раза выше
На других шахтах Карагандинского бассейна многочисленные исследования показали: остаточная газоносность увлажненного участка на 3, 5 - 4, 8 куб.м/т выше.
В Донбассе из известных и опубликованных исследований эффективности снижения газообильности горных выработок в зонах скважин ГРП, из которых не извлекался газ (зоны скважин, из которых производилась обработка угольных пластов в режиме фильтрации или ГРП проводилось без удаления рабочей жидкости из пласта)(табл.1) установлено следующее снижение газообильности лав:
шахта им. Меньжинского (пласт l₄) – 70-75%;
шахта “Селезневская-Восточная” (пласт К₃) – 78-90%;
шахта “Перевальская (пласт К₃) – 30 – 80%;
шахта № 29 (пласт h₇) – 40 – 46%;
шахта “Коммунист” (пласт g₂) – 33-55%.
Газоносность увлажненного и неувлажненного угля пласта К₁₀ (шахта им.Костенко, Карагандинский угольный бассейн) приведена в табл.2
Возникает закономерный вопрос -за счет чего же достигается эффективность заблаговременной дегазации в этих условиях. Ответы на этот вопрос имеются, причем необходимо подчеркнуть, авторы настоящей статьи не претендуют на их научную новизну.
Первый существенный фактор - угольный пласт содержит большое количество мельчайших пор и трещин, в которых реализуется процесс увлажнения угольного пласта за счет сил самодвижения – в частности происходит капиллярное увлажнение пласта. При наличие необходимого времени в пласте осуществляется проникновение рабочей жидкости в эти мельчайшие поры и трещины и блокирование в них молекул метана, что приводит к существенному увеличению остаточной газоносности. А это крайне важный фактор , как это было показано выше, до 5 куб.м/т остаются в угле и не вносят свой вклад в газообильность горных выработок.
Второй существенный фактор – замещение водой как более сильным сорбентом в сорбционном объеме метана и оттеснение его за зону обработки. При освоении скважин этот оттесненный газ будет удален из пласта в течение 5-8 лет эксплуатации скважин путем извлечения его по освобожденным от воды трещинам. При этом он не будет сорбироваться на стенках трещин, так как сорбционная емкость угля уже занята водой.
Третий фактор может реализоваться в случае применения комплексной дегазации за счет увеличения дебитов пластовых скважин в зонах ГРП, где раскрыты дополнительные системы трещин, уже освобожденные от воды и увеличивающие фазовую проницаемость пласта для метана (эта технология широко применяется в Караганде).
Четвертый возможный фактор – дополнительное использование скважин ГРП в качестве куполовых, при этом они по эффективности не уступают последним (технология широко применяется в Донбассе и начала применяться в Караганде).
Выбросоопасность угольного пласта в зона заблаговременной дегазационной подготовки с использованием пневмогидродинамических воздействий, в частности гидрорасчленения угольного пласта, проведенного без освоения и извлечения метана также существенно снижается за счет того, что длительное увлажнение снижает объемную прочность и увеличивает пластические свойства пласта, что в свою очередь ведет к снижению общего количества накапливаемой упругой энергии, реализуемой при выбросе. Происходит также отодвигание максимума опорного давления вглубь массива от 1 до 3 м (шахта “Коммунист” – на 2-3 м на расстоянии 30-60 м от скважины, на 1-1,5 м на расстоянии 90-120 м от скважины), что также снижает вероятность развязывания выброса.
Таким образом, стремиться извлечь больше метана из угольного пласта надо, но это во многих случаях не самоцель.
В каждом конкретном случае надо определять цель главную и вспомогательную. С учетом этого следует корректировать и совершенствовать технологию.
Если основная цель –заблаговременная дегазация, то технология должна предусматривать достижение максимально возможной равномерности обработки, в пласт необходимо закачивать большие объемы рабочей жидкости (для условий мощных пластов Карагандинского бассейна, например, это не менее 4-5 тыс. куб.м), выдерживать воду в пласте не менее 9-12 мес. и пневмовоздействие применять только как средство интенсификации газовыделения, а не как обязательную стадию работ и ряд других моментов.
Если основная цель – добыча метана, то это в первую очередь поиск “сладких точек” или газовых ловушек (пример таких ловушек – места крупных внезапных выбросов угля и газа, где имеется значительное несоответствие выброшенного угля и газа в сторону количества газа при известной газоносности массива), а также поиск перспективных районов на углегазовых месторождениях, например, с использованием геодинамики недр, исследования напряженного состояния областей массива, детального изучения геологии, нарушенности угольных пластов и т.п., во вторую очередь необходимость обеспечивать максимальные дебиты за счет соответствующей технологии с применением кавернообразования, реализации режимов кавитации, знакопеременные воздействия и др. Воды в большинстве случаев в принципе не надо, так как главная задача – сбиться с системой газонасыщенных каверн.
Такая технология извлечения газа из углегазового массива может удовлетворять целям добычи метана, но значительно в меньшей степени целям заблаговременной дегазационной подготовки, при этом может остаться необработанной и неувлажненной значительная часть массива.
Эффективность работы жидкости по замещению метана в сорбционном объеме можно наблюдать на рис. 2, где наглядно показано, что скважины, закрытые для реализации работы жидкости в угольном пласте по замещению метана в сорбционном объеме, в течение первого месяца после их открытия набирают свой максимальный дебит, в то время как скважины, вступающие в эксплуатацию сразу же после обработки, набирают свой максимальный дебит лишь через 2 – 3 года после начала освоения.
Все вышесказанное не означает того, что в плане заблаговременной дегазации все проблемы решены, безопасность можно всегда обеспечить увлажнением и извлечение метана не представляет решающего интереса. Необходимо было лишь правильно расставить акценты и более четко уяснить ситуацию с собственно извлечением метана из угольного пласта и вкладом этого фактора в эффективность заблаговременной дегазации. При этом и в случае заблаговременной дегазации необходимо вести постоянный поиск новых эффективных технологий, направленных как на улучшение качества обработки, ее равномерности, а также и в направлении интенсификации газовыделения из скважин, доведения его до максимально возможного уровня в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.
В последний период мы работали над совершенствованием технологии в рассмотренных выше направлениях. Были разработаны, исследованы в лабораторных и частично натурных условиях следующие новые технологические схемы:
реализация режима кавитации с использованием геоэнергии угольного пласта Сущность способа заключается в том, что массив пригружается и разгружается в определенном режиме, позволяющем до реализации режима гидрорасчленения инициировать реакцию массива, ведущую к образованию системы каверн. Возможны два варианта реализации способа. Их сущность проиллюстрирована на рис.3. В 2000 г. способ прошел первые поисковые испытания на двух скважинах поля шахты им.Ленина, исследования эффективности в настоящее время продолжаются. Программой работ 2001 г. предусмотрены более широкие испытания этого способа на двух скважинах шахтного поля “Казахстанская”.
Гидровоздействие вспенивающимися жидкостями Сущность способа заключается в подаче в пласт по соответствующей технологии выбранных солей и кислот с обеспечением термодинамических условий, способствующих бурному выделению углекислого газа. Повышение качества гидрообработки достигается за счет:
увеличения объема рабочего агента и повышения давления в системе “уголь – рабочий агент” и, тем самым, увеличения размеров зоны обработки;
снижения вязкости рабочего агента и, следовательно, увеличения проникающей способности, что приводит к повышению равномерности обработки массива;
замещении части метана в сорбционном объеме углекислым газом и интенсификации выноса рабочего агента на поверхность за счет “пузырькового эффекта” после открыти