Определение влияния очистной выемки на изменение концентрации метана в дегазационных скважинах

Аннотация

Костенко В. К. Определение характера метановыделения (по длине выемочного участка). Анализ влияния горных работ на стойкость работоспособности дегазационных скважин. Решение уравнения линии перегиба, определены причины ее существования.

Введение

Ресурсы метана в украинской части Донбасса оцениваются в 6–13 трлн м³. Для сравнения: объемы разведанных запасов традиционного природного газа по всей территории Украины, по данным атласа Геология и полезные ископаемые Украины, составляют 1,3 трлн м³. Согласно оценкам экспертов компании Energy and Communications Solutions LLC, из недр Донецкого бассейна при условии инвестирования приблизительно в $180 млн ежегодно можно добывать более 12 млрд м³ газа, тогда как общая добыча природного газа в нашей стране составляет 20 млрд м³ в год. То есть при научно обоснованной и рациональной добыче метана Украина могла бы обеспечивать себя альтернативным видом энергетического сырья достаточно длительное время.

К примеру, число скважин, пробуренных в США для добычи газа – метана, колебалось от 2/3 до 3/4 от общего числа газовых скважин. Доля нетрадиционного газа в суммарных объемах добычи природного газа достигала 1/5, что составляло в 1994 году 102 млрд м³. Добыча метана из угольных пластов в 1995 году в США достигла рекордного уровня – 27,5 млрд м³, что в 1,5 раза превышает добычу природного газа в Украине. Из 190 действующих шахт Украины 90 % опасны по показателям выделения метана.

Реализация проектов по добыче и утилизации метана способна уменьшить количество аварий и несчастных случаев на шахтах, снизить стоимость добычи и в то же время существенно повысить производительность труда, а так же безопасность.

Состояние вопроса

Дегазационные системы Украинских шахт несовершенны. Содержание метана в смеси, добываемой работающими на шахтах дегазационными системами, в 80% случаев составляет всего 10–25 %. В связи с изношенностью оборудования средняя эффективность дегазации за несколько последних лет снизилась с 17 % до 13 %, а полученные дегазационными системами объемы метана уменьшились с 590 млн м³ до 230 млн м³. Практически дегазационные системы не обеспечивают необходимой технической производительности, они требуют реконструкции и обновления, также существует проблема не эффективности конструкции скважин.

Устарело и существующее на угольных и геологоразведочных предприятиях оборудование для бурения скважин. В связи с недофинансированием объемы бурения в подземных выработках уменьшились в 8 раз, а с поверхности – в 20 раз.

Выделение неразрешенной части проблемы, которой посвящена статья

В условиях столбовых систем разработки, когда вентиляционные выработки с проложенными трубами погашаются по мере продвижения лавы, контролировать и ремонтировать арматуру дегазационных скважин в зоне погашения невозможно. Вследствие чего, в устьях некоторых из них, отсутствует достаточная степень разрежения. Это происходит из–за недостаточного внимания к вопросу охраны устьев скважин. Данный фактор существенно влияет на объемы каптируемого метана из вмещающего массива горных пород. Поддерживать безопасную концентрацию метана в отводящем трубопроводе (более 25 %) становится весьма проблематично.

Формулирование целей статьи

Целью данной статьи являлось разработка предложений по обеспечению безопасной эксплуатации дегазационных скважин.

Постановка задач

Основной задачей, данной работы, было установить характер изменения концентрации метана в дегазационных скважинах по мере отработки выемочного столба, чтобы обеспечить без аварийную работу дегазационный скважин.

Описание основного материала исследования с обоснованием полученных научных данных

Работа проводили на примере АП Шахта им. А. Ф. Засядько. Так как эта шахта наиболее метанообильная в Донбассе. Угольные пласты газоносностью более 20 м³ /т с. б. м., опасные по внезапным выбросам угля и газа, разрабатываются на глубине 1400 м.

Для наблюдений было выбрана 18 восточная лава пласта m₃. Глубина разработки 1100–1250 м. Система разработки – длинным столбом по простиранию, направление выемки – по восстанию и падению (челноковая схема работы комбайна). Пласт пологий, имеет следующие характеристики: мощность m = 1,35–1,55 м, угол падения = 6°, зольность Ad = 6,1 %, содержание серы Sd t = 3,86, выход летучих V daf = 31,4 %, природная метанообильность – от 19 до 23 м³/т. с. б. м. Пласт опасен по самовозгоранию, выбросам угля и газа, суфлярным выделениям, взрывам угольной пыли. Длинна лавы – 305 м, протяженность столба – 1100 м. Для отработки запасов используется современная отечественная техника, а именно: поддержание пород кровли осуществляется с помощью механизированных крепей 3КД–90, для выемки угля используют очистной комбайн 2ГШ–68Б, для доставки угля из лавы – скребковый конвейер СП–326. Способ управления кровли – полным обрушением.

На данном пласте осуществляется дегазация спутников. Система дегазации состоит из дегазационной сети, вакуум – насосной станции и когенерационной установки находящейся на поверхности. Дегазационная сеть состоит из кустов скважин соединяемых между собой участковыми трубопроводами, которые в свою очередь соединены в магистральные трубопроводы, выходящие на поверхность.

Для анализа были выбраны кусты с номерами: 133, 131, 128, 126, 123. Исследовались скважины с одинаковыми параметрами: длинна скважины – 120 м; угол подъема – 40 град; угол разворота – 35 град; диметр скважины – 132 мм; глубина герметизации – 15 м.

При использовании данных журналов дегазационной службы (участок ПРТБ), паспорта лавы были построены диаграммы концентрации метана по длине выемочного столба. С помощью аналитических преобразований, на сформированной диаграмме, были нанесены верхняя и нижняя границы области, путем последовательного соединения точек прямыми линиями (Рис.1).

Отрицательный знак значений показывает то, что скважины находились впереди лавы (угольный массив), а положительный – позади лавы (выработанное пространство). Из анализа рисунка удалось выделить две характерные зоны: первая зона расположена на удалении – 51 и – 35 м (протяженность около 16 м), вторая зона на удалении – 19 и – 5 м (протяженность около 14 м). На рисунке обозначенные стрелочками.

Обобщенный характер метаноотдачи скважин показан на (Рис.2). Анализ показывает, что на расстоянии впереди лавы 51–35м происходило снижение концентрации метана в дегазационных скважинах, на расстоянии 19–5м происходило так же снижение концентрации метана в дегазационных скважинах, после того как лава находилось на расстоянии ближе, чем 5м наблюдался резкий рост концентрации метана во всех скважинах. Это свидетельствует о наличии наиболее продуктивного участка для каптажа метана, в котором скважины работают с максимальной эффективностью. Однако, после резкого взлета наблюдается точка перегиба (обведена четырехугольником) и резкий спад концентрации метана в скважинах. Каждой кривой метановыделения характерна собственная точка перегиба. Совокупность точек перегиба образуют кривую перегиба. На рисунке она показана пунктирной линией проходящей через точки перегиба. Можно предположить, что негативное влияние обусловлено наличием трещины в массиве горных пород или сдвига по напластованию слоев кровли. Происходит зажатие, при оседании пород кровли над выработанным пространством или сдвиг пород вследствие чего скважины деформируются, за счет чего прекращается интенсивное выделение метана. Возможно, существование четкой линии обусловлено смятием устьев скважины, задавливание породами устьев скважин, вывод из пригодного для работы состояния путем сколов, либо попадания в скважину мелких осколков пород с последующим образованием непроходимости скважин (деформации стакана – обсадной трубы). Тем не менее, линия, соединяющая точки перегиба может быть описана прямой, уравнение которой имеет вид:

C CH₄ = –0,804L + 85,81 ; где CH₄ – концентрация метана (%), L – расстояние до лавы (м). коэффициент тесноты связи R = 0,894

Установлено, что линии перегиба наблюдались, как впереди скважины на расстоянии 15 м, так и позади 25 м. При проецировании линии перегиба на горизонтальную плоскость найдены границы зоны, в которой влияние очистных работ проявляется наиболее выраженным образом. ( точки К1 и К2 на (Рис.2)). Зона максимального воздействия расположена между точками – 11 и 25 м (протяженность более 36 м).

Выводы

Проявление интенсификации газа происходило на удалении 90м, на участке 59–37 м происходил спад метановыделения, при приближении лавы на удаление 36–18 м возрастает интенсификация газа, при 18–5 м происходит спад метановыделения, а после удаления лавы до 5 м наблюдается излом кривых, происходит спад метановыделения.

Найдены зоны (впереди очистного забоя) первая протяженностью 16 м и вторая зона протяженностью 14 м соответственно, в которых наиболее выражен спад метаноотдачи.

Обобщая все описанное выше можно, еще раз, подчеркнуть необходимость охраны устьев дегазационных скважин. Выбор способов обеспечения охраны скважин, позволит решить задачи повышения эффективности подземной дегазации.

Список использованной литературы