автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Обоснование выбора технологии пластовой дегазации выбросоопасных угольных пластов для обеспечения их безопасной и интенсивной отработки

005016021

На правах рукописи

СТЕФЛЮК ЮРИЙ МИХАЙЛОВИЧ

Обоснование выбора технологии пластовой дегазации выбросоопасных угольных пластов для обеспечения их безопасной и интенсивной отработки

Специальность 05.26.03 —«Пожарная и промышленная безопасность» (в горной промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 Ш 20:2

МОСКВА 2012

005016021

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государстасгшьш горный

университет»

и Угольном департаменте АО «АрселорМитгал Темиртау» Научный руководитель: доктор технических наук, профессор СЛАСТУНОВ Сергей Викторович, Московский государственный горный университет, заведующий кафедрой «Инженерная защита окружающей среды»

Официальные оппоненты: доктор технических наук ЗАБУРДЯЕВ Виктор Семенович, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт проблем комплексного освоения недр РАН (ИПКОН РАН), ведущий научный сотрудник отдела "Геотехнолошческих проблем комплексного освоения недр"; каццвдат технических наук СМИРНОВ Олег Владимирович, ОАО «Сибирская угольная энергетическая компания» (ОАО «СУЭК»), зам. начальника управления «Вентиляции, дегазации и противоаварийной устойчивости предприятий»

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им. А.А. Скочинского»

Защита диссертации состоится 14 мая 2012 г. в 13 час. 00 мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.128.06 при у Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан 13 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

/

доктор технических наук

советаД 212.128.06

(/{¡^ КОРОЛЕВА Валентина Николаевна

ОБЩ АЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При подземной добыче угля проблема метала важна прежде всего с точки зрения обеспечения безопасности горных работ и повышения экономической эффективности их функционирования.

В настоящее время основной объем угледобычи в Карагандинском угольном бассейне приходится на Угольный департамент АО «АрселорМиттал Темиртау», горные работы сконцентрированы на 8 шахтах.

Планируемые нагрузки на ряде шахт Угольного Департамента АО «АрселорМиттал Темиртау» составляют 8000-10000 т/сут, прогнозное газовыделение из разрабатываемого пласта может достигать 6,5-8,5 м3/т, производительность очистных забоев лимитирована по фактору вентиляции. Без кардинального снижения газообильности горных выработок, и в первую очередь разрабатываемого пласта, обеспечить такую нагрузку не представляется возможным. Обоснование выбора технологии пластовой дегазации является актуальной задачей подземной угледобычи.

Целью диссертационного исследования являются обоснование выбора технологии пластовой дегазации выбросоопасных угольных пластов для обеспечения их безопасной и интенсивной отработки на базе натурного исследования основных фильтрационных и газокинетических характеристик угля, а также разработка усовершенствованной технологии заблаговременной дегазационной подготовки (ЗДП) выбросоопасных пластов для повышения эффективности их дегазации.

Идея работы заключается в использовании результатов аналитических и натурных исследований процессов массопереноса метана в угольных пластах для получения достоверной информации об основных свойствах и состоянии углегазового массива, таких как величины пластового давления, газоносности, проницаемости и коэффициентов диффузии угля, сорбционные характеристики при обосновании выбора технологии пластовой дегазации выбросоопасных угольных пластов.

з

Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

1. Механизм комплексной технологии заблаговременной дегазационной подготовки необводненных выбросоопасных угольных пластов путем их пневмогидрорасчленения базируется на предварительном гидрорасчленении пластов малыми объемами (гидроклин для раскрытия магистральных трещин на проектный радиус от скважин) с последующим пневмотепловым воздействием для повышения фазовой проницаемости, равномерности обработки и снижения сорбционной емкости угольного пласта, причем для снижения пылеобразующей способности угля, его выбросоопасности и повышения остаточной газоносности предусмотрено дополнительное воздействие на последней стадии работ — гидровоздействие в режиме гидратации пласта.

2. Эффективные параметры комплексной технологии заблаговременной дегазационной подготовки необводненных выбросоопасных угольных пластов путем их пневмогидрорасчленения определяются на принципе максимального раскрытия трещин в зонах дегазации с минимальным снижением фазовой проницаемости пласта для газа с учетом термодинамики системы «уголь-метан-рабочий агент».

3. Научно обоснованные методические рекомендации по выбору основных технологических решений по пластовой дегазации высокогазоносных угольных пластов базируются на учете следующих основных факторов: прогнозной скорости газоотдачи угольных пластов, оцениваемой на стадии экспериментальных работ по определению основных свойств и состояния углегазоносного массива (величины пластового давления, газоносности, проницаемости и коэффициентов диффузии угля, его сорбционных характеристиках), резерва времени на дегазацию, величины «газового барьера», а также результатов натурной апробации отдельных технологических решений или пробных закачек.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

• представительным объемом шахтных исследований (несколько десятков скважин на двух шахтных полях);

• результатами натурных испытаний основных технологических решений при ведении подготовительных и очистных работ при отработке ряда лав шахт им. Ленина и «Казахстанская»;

• положительными результатами промышленной апробации разработанных технологических схем заблаговременной дегазационной подготовки.

Научная значимость работы заключается в разработке и обосновании методологических положений по выбору основных технологических решений при пластовой дегазации высокогазоносных угольных пластов, обосновании усовершенствованной технологической схемы и основных параметров комплексного пневмогидродинамического воздействия на выбросоопасные необводненные угольные пласты, подлежащие интенсивной и безопасной разработке.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• разработаны методики проведения исследований основных характеристик свойств и состояния угольных пластов в натурных условиях и оценки эффективности ЗДП на стадии полевой подготовки;

• разработаны методические рекомендации по выбору основных технологических решений при пластовой дегазации с учетом горногеологических и горнотехнических факторов.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработан и реализован техно-рабочий проект комплексной пневмогидродинамической обработки выбросоопасного угольного пласта Д6 на поле шахты «Казахстанская» на стадии его заблаговременной дегазационной подготовки.

Разработанные параметры и рекомендации использованы при заблаговременной дегазационной подготовке выбросоопасного пласта Дб на поле шахты «Казахстанская» Угольного Департамента АО «АрселорМиттал Темиртау»

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось в составе научно-технических отчетов перед заказчиком -Угольным Департаментом АО «АрселорМиттал Темиртау» (2009-2011 г.г.), на ежегодных научных симпозиумах «Неделя Горняка» (2008-2012 г.г.), научном семинаре и заседании кафедр «Аэрология и охрана труда» и «Инженерная защита окружающей среды» МГГУ (2011г., 2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 7 печатных работах, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, содержит 25 таблиц, 31 рисунок, список использованной литературы из 86 наименований.

Автор выражает благодарность за участие в выполнении представленной работы, поддержку и ценные научно-методические консультации ученым и специалистам кафедр ИЗОС и АОТ МГГУ, работникам Угольного департамента АО «АрселорМиттал Темиртау» и ДТП «КазНИИБГП».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Дегазация подготавливаемых к разработке и разрабатываемых пластов развивалась как инженерное мероприятие, направленное на обеспечение безопасности труда горняков и повышение эффективности горного производства. Разработке способов и средств дегазации были посвящены работы A.A. Скочинского, Н.Н.Черницына, В.В. Ходота, Г.Д. Лидина, С.А. Христиановича, А.Э. Петросяна, И.В. Сергеева, B.C. Забурдяева,

Н.И. Устинова, А.Т. Айруни, В.И. Мурашова, Н.В. Ножкина, Ю.Ф. Васючкова, С.А. Ярунина, Н.О.Калединой, C.B. Сластунова, Ю.Г. Анпилогова, В.Н. Королевой, И.А. Швеца, Е.И. Преображенской, С.К. Баймухаметова, Н.Х. Шарипова, К.С. Коликова, М.С. Усенбекова, В.А. Садчикова и многих других.

Подземная разработка угля постоянно связана с увеличением глубины отработки угольных пластов. Эта тенденция характерна как для Карагандинского угольного бассейна, так и для основных угольных бассейнов России. Имеет место постоянный рост нагрузок на очистной забой. С ростом нагрузки на очистной забой резко повышается абсолютная газообильность выемочных участков. Так, при нагрузке на лаву до 2000 т/сут газообильность выемочного участка в Карагандинском бассейне составляет 40-50 м3 /мин, а при нагрузке свыше 3000 т/сут достигает уже 120 — 160м3/мин. При этом только комплексная дегазация позволяет вести горные работы с такими нагрузками.

Необходимо отметить, что даже при эффективности комплексной дегазации 75-80 % абсолютное газовыделение в атмосферу шахты достигает 30 м3 /мин и сдерживает интенсивность отработки угольного пласта. Отметим, что достигнутая в настоящее время эффективность комплексной дегазации на шахтах Угольного департамента АО «АрселорМиттал Темиртау» в значительной мере обусловлена эффективной дегазацией выработанного пространства. В то же время с ростом нагрузки на очистной забой резко возрастает вклад метана, выделяющегося из разрабатываемого пласта и разрушаемого в забое угля. Так, для условий ряда шахт даже при указанной эффективности комплексной дегазации 75-80% для нагрузок на очистной забой более 3-4 тыс. т требуется применение пластовой дегазации с эффективностью более 0,3, что далеко не всегда может обеспечить пластовая дегазация, осуществляемая из горных выработок на стадии подготовки и отработки выемочного поля.

В работе показано, что дальнейшее совершенствование дегазации в условиях роста нагрузок на очистной забой свыше 3-5 тыс. т/сут возможно за счет заблаговременного извлечения метана из угольного пласта и существенного снижения газоносности последнего.

Мировой опыт также подтверждает целесообразность подобного подхода. На многих газообильных шахтах США применяется дегазация с поверхности с использованием технологии гидроразрыва, а также подземная пластовая дегазация в зонах ГРП, при этом следует особо отметить, что до начала ведения горных работ из угольных пластов извлекается около 70% газа.

В связи с вышеназванной целью в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Доказать целесообразность и состоятельность применения технологии ЗДП для обеспечения безопасной отработки высокогазоносных угольных пластов в Карагандинском угольном бассейне, в частности выбросоопасного пласта Дб шахт им. Ленина и «Казахстанская».

2. Обосновать механизм базового воздействия, обеспечивающего раскрытие трещин на расстоянии 120-140 м от скважины. Обосновать механизм вспомогательного воздействия на угольный пласт, обеспечивающего существенное углубление его дегазации за счет снижения сорбционной емкости угля и повышения фазовой проницаемости пласта для газа.

3. Разработать методику выбора технологии пластовой дегазации и обосновать методические рекомендации по выбору рациональных технологических схем пластовой дегазации угольных пластов, в частности, для условий поля шахты «Казахстанская».

4. Разработать новые эффективные технологические решения по реализации активных воздействий на выбросоопасный пласт Дб для включения их в техно-рабочий проект заблаговременной дегазационной подготовки запасов на поле шахты «Казахстанская».

5. Разработать методическое обеспечение определения фактической эффективности ЗДП на стадии полевой подготовки и выбора способов пластовой дегазации на стадии проектирования.

6. Разработать рекомендации по параметрам дегазации выемочного участка 312-Дб-13 в зонах ЗДП, в частности целесообразности применения подземной пластовой дегазации и расстоянию между пластовыми скважинами.

7. Провести оценку технико-экономической эффективности заблаговременной дегазационной подготовки с рекомендованными параметрами.

Применение ЗДП скважинами с поверхности при высоких нагрузках на очистной забой предопределяется тем фактом, что эффективность подземной пластовой дегазации ограничивается величиной, как правило, не более 0,2 (опыт работ в Карагандинском бассейне в этом направлении в последние годы представлен в табл.1) и не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к данной технологии нормативной документацией.

Это вполне объективно обусловлено ограниченным временем на дегазацию угольного пласта из подземных выработок, связанным с недостаточным опережением очистных работ подготовительными и низкой эффективностью дегазации неразгруженного от горного давления угольного пласта, связанной с отсутствием активных воздействий на массив угля для повышения его природной проницаемости. Ключевым моментом эффективности любых схем пластовой дегазации является характер газопереноса в угольном пласте. Схематично этот процесс можно представить в качестве комбинации движения газа по законам диффузии (в частности, по закону Фика) и вязкого течения по закону Дарси (рис.1). Скорость протекания этих процессов существенным образом зависит от величин газопроницаемости угольного пласта К и коэффициента диффузии Б, а также пластового давления Р„л и, с учетом того факта, что основная

масса газа находится в сорбционном объеме (до 90 - 98%), сорбционных характеристик угля (в частности, коэффициентов Ленгмюра). Таблица 1. Оценка эффективности подземной пластовой дегазации на шахтах Карагандинского бассейна

Огособ лианин Рйтагнсвалие шрасогас Дггаэд. [уемьЕ запасы, шет Кш-БО сква- ".КИВ, шг Сртдаяя тт1 сквазян, м Рас-иня нежзу скваж., м Срок дггаа-пин, с\т Средний лгбит, мЗ мвд Улгльный о-'м метана, >,!? Г'.< :\т РЬалЕЧенэ циана, мЗ т Извлечено метзна. тысаЗ

Шахта'Абайсхай"

тред, пласт. кавштрЛ К10-С 1452П 253 146 4 590 1.36 0.05 0.3 1155

ггред. тает. вентлярЛ К10-С 35.8 15 120 2-4 12 1.22 0.97 0.59 21,1

пргдтаст Kd5.mrp.31 К10-Ю 840 80 120 8-12 540 1.4 0.2 0.55 466

ггрез. тает. венг.шгр.31 К10-Ю 31,7 15 100 2-4 18 1,7 1.1 09 29.4

гред.таст. кав.шгр.32 К 10-ю 1000 133 150 г 330 0,9 0,05 0,43 423

Шахта "Шэхттска*?'

тред. тает. кяв лпр.322 Л 5-и 663.3 245 110 4 459 1.49 0.08 1,48 535

ггред. тгаст. вент лпр.322 Д$-ц 24.9 28 80 4 15 0,49 0.32 0.42 10,6

Шактэ ш.Лен11на

гред.таст. кш5.штрЗ С2 Д5-1к В сторону 3 СЗ 456,8 139 90 8 1290 0,38 0,04 1,79

гред.таст. южвшгрЗ.ОЗв етсрсну 3 СЗ 355,3 145 70 8 1450 0.35 0,05 1,79 713

гред.таст. юнашгрЗ.СЗ^Яв в стесгну 3.05 568.3 152 70 8 2190 0,42 0,06 1,83 1311

гред. тает. Ютв.шгр301 Д5-1б в сторсну 3.04 730,3 190 90 8 1257 0,62 0.05 1.83 1124

гред пласт. C3BS.nnp3.Oi Д5-1я в СТИГНУЗЙ 855 227 90 4-8 1144 1,21 0.09 1,95 2129

гред. пласт- 1Ивалпр3.05в стрссну 3.0? 570 203 60 4-8 685 0,67 0,03 1.95 ег

гред.таст. юнв-ппрЗ.Й Д&-1В в стср.'06ег+123до0 570 60 130 8 1970 0.68 0,12 3.37 1917

гред. пласт. гейБ.шрЗ.С5 35-1а. в С1Щ>-З.С6 ниже гор.О 530 161 130 4 966 0,69 0,12 1,64 853

тред, пласт. конвштрЗ.Ш ДМв. в СТ*>Р-306ЕШШ ГОР.О 537 84 130 8 613 1.89 0,16 1,94 1040

гред. пласт. швв.шгр3.0бД5-1в в етсР-З.Сбвижг гор.О 660 96 130 4 187 2,19 0,18 0,89 590

Шахта "Казахстанская"

тред. тает. шв.штр 232 Дб-з 830 125 175 8-12 545 1.45 0.09 1.37 1133

тгред. тает. кош щтр.232 Л 5-1 91.1 18 100 4 40 02 015 012 11,5

гоез. тает. конв. го шгр 31-1Л5-В 232 53 135 4 104 42 0,85 27 629

Для получения достоверных данных по указанным показателям нами была разработана методика их определения на стадии экспериментальных работ на шахте. Опытные работы на шахте им. Ленина проводились с участием австралийской компании «Сигра». Объект исследований представлен на рис.2.

Экспериментальные пластовые скважины бурились по пласту на расстоянии 4 и 8 м друг от друга, герметизировались, в скважине устанавливался пакер, после чего определялась динамика роста газового давления в скважинах до величины РШ1. Зависимость давления газа в

ю

скважине от времени, а также определение газоносности угля по исследованиям угольной мелочи (штыба) и кривые сорбции газа на угле в лабораторных условиях позволяют определять проницаемость, коэффициенты диффузии, пластовое давление и коэффициенты Ленгмюра. Потери газа при транспортировке угля для исследования его газоносности с момента отделения от массива до его помещения в исследовательскую канистру определялись экстраполяцией.

Кливажи

Ламинарный поток

/Диффузия I Ламинарный поток Диффузия

V = F = -D- ——

(j. dx dx

Рис. 1. Модель газопереноса в угольном пласте

Также оценивалось расхождение между данными расчета процесса диффузии и эксперимента при описании процесса сорбции. В наших исследованиях расхождение не превышало 8 - 10%. В результате выполненных экспериментальных работ (более 100 замеров) были определены, в числе прочих характеристик и показателей, величина текущей газоносности пласта Дг, на выемочном участке, составившая 18,41 м3/т (ошибка 0,09 м3/т), коэффициент диффузии-1,5 х 10"'2 м2/с, проницаемость — 0,008 мД, пластовое давление - 4,5 МПа, что было учтено и использовано в дальнейших расчетах.

Основные выводы по стадии экспериментальных работ по определению основных свойств и параметров состояния угольного пласта Д6 заключались, в числе прочего, в том, что пласт Д6 имеет весьма низкую проницаемость, является сухим пластом и для сохранения и повышения его проницаемости должна выбираться технология, связанная с минимальной степенью заводнения пласта.

На поле шахт им. Ленина и «Казахстанская» применяется заблаговременная дегазационная подготовка пласта Д6 к безопасной и интенсивной отработке на базе гидравлического расчленения пласта через скважины с поверхности.

В диссертации разработана аналитическая модель расчета параметров гидрообработки угольного пласта малыми объемами с целью минимизации фактора увлажнения угольного пласта. Определена зависимость эквивалентного радиуса зоны гидрообработки от длительности нагнетания рабочего агента. Анализ возможных агентов для проведения пневмообработки выполнен с учетом фактора термодинамической

стабильности газов в сорбционном объеме угля, известного по работам проф. Васючкова Ю.Ф. Определенный интерес представляют агенты, замещающие метан в сорбционном объеме по тепловому механизму.

Применение воздуха для целей эффективной дегазации обосновывается также целями повышения фазовой проницаемости угольного пласта для газа. Предусматривается нагнетание нагретого до 90 - 100 °С воздуха в пласт с расчетными параметрами. Объем закачиваемого воздуха определяется по фактору заполнения всего фильтрующего объема угольного пласта в зоне гидрорасчленения с учетом теплового фактора.

Предполагаемый эффект по углублению дегазации базируется в числе прочего на использовании эффекта тепловой десорбции. Процесс сорбции метана углем экзотермичен. При повышении температуры пласта во -первых, за счет, избыточной температуры воздуха и, во-вторых, за счет окисления угля кислородом воздуха часть метана десорбируется и появляется возможность его перемещения по трещинам к скважине и далее на поверхность. Необходимый объем воздуха с учетом вышеназванных факторов определяется следующим образом.

Объем закачки рабочей жидкости при реализации традиционной схемы ГРП определяется из выражения:

Ож=К„7с К2тппэ,м3 (1)

где К„- коэффициент, учитывающий потери жидкости на фильтрацию и иарушенность обрабатываемого участка, К„= 1,1-5-1,6; ш„ - полная мощность пласта, м; пэ - эффективная пористость пласта, доли ед.; II - эффективный радиус воздействия, м.

Объем закачки в условиях реализации технологии создания гидроклина (рассматриваемый в диссертации вариант) определяется из условия заполнения лишь магистральных (межблоковых) трещин без заполнения всего фильтрующего объема, т.е.:

_ 2 лИ2М .

У =-£--(2)

где а- среднее раскрытие трещин, м; Ь - высота магистральных трещин (как правило, равная мощности пласта ш), м; Ь - расстояние между магистральными трещинами гидрорасчленения, м.

Для скважины № 53 поля шахты «Казахстанская» объем воды, закачиваемый на стадии базового воздействия, составляет 50 - 100 м3, против 4000 м3 по традиционной схеме, примененной на других скважинах поля шахты «Казахстанская».

Объем закачки воздуха определяется по фактору заполнения всего фильтрующего объема в зоне гидрорасчленения (зависимость 3) с учетом фактора тепловой десорбции (зависимости 4 и 5):

д=1,1л-К2ЬшРфп (3)

яЯ^кЬа у =_^ Л АН

(4)

Да = —А ■ АТ (5)

где Рф„ - давление нагнетания воздуха, ат; к- коэффициент эффективности прогрева пласта, ккал/ккал (к = 1,2-1,6); Да - десорбция метана, м3/т; Сп - объемная теплоемкость угля, ккал/м3трад; Т0 - начальная температура пласта, °С; Т„ - температура нагнетаемого воздуха, °С; рпл. - плотность угля, т/м3; А - коэффициент тепловой десорбции, м3/т*град; ДН- теплота сорбции метана на угле, ккал/м3; Дц - теплота, выделяющаяся при окислении кислорода, ккал/моль; С - концентрация кислорода в воздухе, %; ДТ - повышение температуры пласта вследствие нагнетания воздуха, °С; рв - плотность воздуха, т/м3; С„ -удельная теплоемкость воздуха, ккал/т*град; ш - фильтрующая пористость, доли ед.

Для скважины № 53 поля шахты «Казахстанская» объем воздуха, закачиваемого на стадии пневмотеплового воздействия, был определен по указанным выше зависимостям и составил 450 тыс. м3.

Эффективность пневмотеплового воздействия подтверждена результатами апробации данной технологии на ряде скважин ГРП (пробные закачки), в том числе на скважинах № 99 поля шахты «Сокурская» и № 11

14

поля шахты им. Ленина. На скважине № 99 из практически «мертвой» скважины было в течение двух лет извлечено более 600 тыс. м3 метана, при этом дебит метана поднялся в течение 3 месяцев с практически нулевого уровня до 1 м3/мин. Из скважины № 11 было извлечено более 1 млн. м3 метана, при этом была отмечена высокая и стабильная динамика газовыделения после пневмотеплового воздействия по сравнению с соседними скважинами, где была реализована гидрообработка без какой-либо интенсификации газовыделения.

Резервной технологией, которая может быть применена на экспериментальной скважине ЗДП - объекте исследований и внедрения разрабатываемой технологии, рекомендована технология гидровоздействия в режиме гидратации, заключающаяся в следующем. После реализации основной стадии по извлечению метана на поверхность и существенного снижения уровня газовыделения из пласта (на 50% и более) дополнительный эффект по последующему снижению газовыделения в очистной забой при ведении горных работ достигается искусственным увеличением остаточной газоносности угольного пласта за счет блокирования части метана водой в мельчайших порах и трещинах пласта. Для этого после завершения освоения скважины (после снятия станка-качалки и прекращения извлечения воды) предусмотрен периодический долив в скважину воды (1-2 раза в неделю). Блокирование метана водой осуществляется вследствие проникновения воды в мельчайшие поры и трещины пласта под действием давления столба жидкости и сил ее самодвижения (например, капиллярных сил).

Обоснована методика выбора основных технологических схем пластовой дегазации, схематично представленная в табл. 2. Там же приведен конкретный пример выбора технологии пластовой дегазации для условий скважины № 53 поля шахты «Казахстанская». Методика предусматривает для выбора состава и параметров комплексной технологической схемы на первом этапе оценку четырех основных аспектов: ожидаемой эффективности дегазации на базе газодинамических исследований объекта пластовой

15

дегазации; наличия и величины «газового барьера», определяемого аналитическим и нормативным расчетом предельно допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору; резерва времени на проведение пластовой дегазации; результатов натурной апробации рекомендуемых к применению технологических схем углубления дегазации или пробных закачек.

На втором этапе дается научное обоснование конструирования общей технологической схемы, определяются основные параметры технологии и состав основного (базового), вспомогательного и резервного (дополнительного) воздействий.

Таблица 2. Методика выбора основных технологических схем пластовой дегазации__

Ожидаемая эффективность дегазации на базе газодинамических исследований объекта пластовой дегазации Наличие и величина «газового барьера» Резерв времени на пластовую - дегазацию Результаты апробации технологий интенсификации или пробных закачек

Научное обоснование конструирования общей технологической схемы

Параметры общей технологической схемы (скв. № 53)

Основная схема Вспомогательная схема Дополнительная схема

ГРП-ппп V Пневмотепловое воздействие Гидратация пласта

Для объекта внедрения (скв. № 53 п.ш. «Казахстанская») по данной методике были выбраны: в качестве базовой технологии — гидрозакачка минимального (расчетного) объема воды (гидроклина), в качестве вспомогательного воздействия — пневмотепловое воздействие, в качестве резервного (при необходимости) — гидровоздейсвие в режиме гидратации.

Сущность механизма выбранного и обоснованного способа пластовой дегазации заключается в следующем. На первом этапе решается задача раскрытия трещин гидрорасчленения на расчетный радиус, равный половине расстояния между скважинами ГРП (125 м), минимально возможным объемом жидкости, чтобы избежать заводнения сухого пласта Дб и не снизить сколь-либо значительно фазовую проницаемость пласта по газу. На

16

следующем этапе решается задача заполнения рабочим агентом (водой и воздухом) всего фильтрующего объема в зоне дегазации (зоне гидрорасчленения), для чего ведется нагнетание в пласт воздуха с расчетными параметрами, приведенными выше. После выдержки рабочего агента в пласте до проектного снижения давления скважина открывается и ведется ее освоение известными технологическими приемами - вначале в режиме самоистечения, затем с помощью станка-качалки и погружного насоса. После извлечения значительного объема газа и снижения интенсивности газоизвлечения на 50% и более, невозможности или нецелесообразности применения технологических средств интенсификации газовыделения и дальнейшего извлечения газа процесс освоения скважины прекращается и осуществляется гидратация пласта для обеспечения увеличения остаточной газоносности пласта за счет блокирования метана в мельчайших порах и трещинах пласта.

С учетом полученных результатов разработан техно-рабочий проект заблаговременной дегазационной подготовки запасов особовыбросоопасного пласта Д6 с использованием описанного выше механизма путём пневмогидрорасчленения пласта через скважины ГРП № 53 на поле шахты «Казахстанская», реализованный в 2011 г. Параметры технологии представлены в табл. 3.

Таблица 3. Параметры технологии ЗДП на скважине № 53 поля шахты «Казахстанская».

№ скв. Вскрытие пласта Вид обработки Основные параметры обработки

Темп нагнетания Объём закачки, м3

53 Кавернооб-разование Совершенное вскрытие пласта 65-70 л/с До прекращения выхода штыба

ГРП малыми объемами ■ 65-70 л/с 50-100

птв 8 м3/мин 450 000

Важным этапом исследований явилась оценка эффективности работ по

ЗДП на шахте «Казахстанская» в целом. Подготовка данного шахтного поля

ведётся с 2000 г. и только в 2011 г. явилась реальная возможность определить

17

фактическую эффективность ЗДП. Основная объективная оценка будет осуществлена при отработке запасов шахтного поля, но на настоящем этапе работ решалась задача оценки эффективности ЗДП на стадии полевой подготовки пласта Дб-

Схема расположения скважин ЗДП представлены на рис.3.

Разработано методическое обеспечение по определению фактической эффективности ЗДП на стадии полевой подготовки. Разработана методика определения эффективности заблаговременной дегазационной подготовки запасов особовыбросоопасного пласта Дб путём его гидрорасчленения через скважины ГРП № 28 и 29 на поле шахты «Казахстанская» (объект шахтных экспериментальных работ в 2011-2012 гг., где имеется возможность разграничить зоны ЗДП и сравниваемые зоны).

Схема бурения и обустройства исследовательской скважины, пробуренной в пласт через породную пробку из полевого газодренажного штрека 312 Дб-3, расположенного на 10-12 м ниже пласта Дб, для определения газокинетических характеристик пласта Дб представлена на рис. 4.

18

100 мм металлическая

гТо ~~а

-оосадная труоа

"Л,

противовыбросовый превентор

буровой станок

Циклонный пылеуловитель

воздушный клапан

примерно 5 м

Рис.4. Бурение скважины в пласт через породную пробку для определения газокинетических характеристик пласта Д6

Основные результаты реализации методики экспериментального исследования величин пластового давления в зоне исследуемых скважин ГРП приведены на рис.5.

Реализация методики определения эффективности заблаговременной дегазационной подготовки запасов особовыбросоопасного пласта Д6 путём его гидрорасчленения через скважины ГРГ1 №№ 28 и 29 на поле шахты «Казахстанская» позволила оценить эффективность отдельных технологических схем ЗДП и способов интенсификации газовыделения по величине остаточного пластового давления, а также на начальном этапе оценочных работ подтвердить техническую эффективность ЗДП по снижению газообильности подготовительных выработок, оценить необходимость применения в зонах ЗДП пластовой дегазации из подготовительных выработок (ППД) и скорректировать ее параметры (табл.4).

19

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Продолжительность наблюдения, мин.

Рис.5. Результаты экспериментальных исследований пластового давления на поле шахты «Казахстанская» (полевой газодренажный штрек 312 Д6 - 3)

Таблица 4. Рекомендации по применению подземной пластовой дегазации

№ скважины Съем метана, на 01.10.11 тыс. м3 Снижение газоносности, м3/т К, мД Дегазация пласта при нагрузке на лаву, тыс. т/сут

3000 4000 5000

23 925,4 4,02 1.2 здп здп ЗДП + ППДК=10м

24 1268,5 6,32 1,6 здп здп здп

25 1087,0 5,44 1,4 ЗДП здп ЗДП+ППД R=12м

28 1092,0 5,46 1,4 здп ЗДП ЗДП+ППД R=12M

29 1115,5 6,20 1,5 здп здп Здп

37 802,0 4,01 1,1 здп здп ЗДП+ППД R=8M

Проведена оценка технико-экономической эффективности заблаговременной дегазационной подготовки с рекомендованными параметрами.

Расчетный экономический эффект от заблаговременной дегазационной подготовки угольного пласта в зоне одной скважины расчленения на поле шахты «Казахстанская» составляет 100 - 130 тысяч у.е.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой дано решение актуальной для угольной отрасли задачи обоснования выбора технологии пластовой дегазации выбросоопасных угольных пластов с

учетом определения их основных фильтрационных и газокинетических характеристик, позволяющей обеспечить безопасную и интенсивную добычу угля.

Основные выводы и рекомендации по выполненным в диссертации исследованиям заключаются в следующем:

1. Высокоинтенсивная безопасная разработка газоносных угольных пластов невозможна без обеспечения глубокой дегазации разрабатываемых пластов. Заблаговременная дегазационная подготовка угольных пластов к безопасной и эффективной разработке скважинами с поверхности может обеспечивать необходимую эффективность по снижению газообильности горных выработок при применении данной технологии за 4 - 5 лет до начала ведения горных работ в зонах интенсивной дегазации.

2. Доказана целесообразность и обоснованность применения технологии ЗДП для обеспечения безопасной отработки высокогазоносных угольных пластов в Карагандинском угольном бассейне, в частности, выбросоопасного пласта Дб шахт им. Ленина и «Казахстанская». На шахте им. Ленина съем метана в зонах ЗДП на ряде скважин составил 6-9 м3/т, а на шахте «Казахстанская» -5-7 м3/т, что существенно больше возможных съемов при применении подземной пластовой дегазации из подготовительных выработок.

3. Скважина гидрорасчленения является инженерным объектом, функционирующим в течение длительного промежутка времени, составляющего до 10-15 лет (опыт шахт им. Ленина, «Казахстанская»), на протяжении которого решаются различные задачи, обусловленные развитием горных работ в зоне сформированного техногенного коллектора.

4. Разработана и реализована на шахте им. Ленина методика шахтных экспериментальных работ по определению основных фильтрационных и газокинетических характеристик угольного пласта. В результате выполненных экспериментальных работ были определены в числе прочих характеристик и показателей величина текущей газоносности пласта Дб на

21

выемочном участке, составившая 18,41 м3/т (ошибка 0,09 м3/т), коэффициент диффузии - 1,5 х 10"12 м2/с, проницаемость - 0,008 мД, пластовое давление — 4,5 МПа, что было учтено и использовано в дальнейших расчетах при определении основных технологических параметров процессов пластовой дегазации.

5. Обоснован механизм комплексной технологии заблаговременной дегазационной подготовки (ЗДП) необводненных выбросоопасных угольных пластов путем их пневмогидрорасчленения на базе предварительного гидрорасчленения пластов малыми объемами (гидроклин для раскрытия магистральных трещин на проектный радиус от скважин) с последующим пневмотепловым воздействием для повышения фазовой проницаемости, равномерности обработки и снижения сорбционной емкости угольного пласта. Для снижения пылеобразующей способности угля, его выбросоопасности и повышения остаточной газоносности предусмотрено дополнительное воздействие на последней стадии работ — гидровоздействие в режиме гидратации пласта.

6. Установлены эффективные параметры комплексной технологии заблаговременной дегазационной подготовки необводненных выбросоопасных угольных пластов путем их пневмогидрорасчленения, в частности темп и объем нагнетания воды при реализации базовой технологии гидрорасчленения, объем нагретого воздуха при реализации вспомогательного пневмотеплового воздействия для достижения эффективной заблаговременной подготовки углегазоносного массива к безопасной и интенсивной отработке.

7. Разработан техно-рабочий проект заблаговременной дегазационной подготовки запасов по выбросоопасному пласту Д6 путём его пневмогидрорасчленения через скважины ГРП № 53 на поле шахты «Казахстанская», реализованный в 2011 г. Разработаны технологические решения по реализации пневмотеплового воздействия на пласт Д6, вошедшие составной частью в указанный проект.

8. Научно обоснована методика выбора технологии пластовой дегазации и обоснованы методические рекомендации по выбору рациональных технологических схем пластовой дегазации угольных пластов, в частности, для условий интенсивной отработки особовыбросоопасного пласта Дб на поле шахты «Казахстанская».

9. Разработано методическое обеспечение по определению фактической эффективности ЗДП на стадии полевой подготовки. Разработана методика определения эффективности заблаговременной дегазационной подготовки запасов особовыбросоопасного пласта Д6 путём его гидрорасчленения через скважины ГРП № 28 и 29 на поле шахты «Казахстанская».

10. Реализация методики определения эффективности заблаговременной дегазационной подготовки запасов выбросоопасного пласта Дб путём его гидрорасчленения через скважины ГРП на поле шахты «Казахстанская» позволяет оценить эффективность отдельных технологических схем ЗДП и способов интенсификации газовыделения, а также на начальном этапе оценочных работ подтвердить эффективность ЗДП по снижению газообильности подготовительных выработок.

11. Разработаны рекомендации по параметрам дегазации выемочного участка 312-Д6-13 в зонах ЗДП, в частности по целесообразности применения подземной пластовой дегазации и расстоянию между пластовыми скважинами.

12. Проведена оценка технико-экономической эффективности заблаговременной дегазационной подготовки с рекомендованными параметрами. Расчетный экономический эффект от заблаговременной дегазационной подготовки угольного пласта в зоне одной скважины расчленения на поле шахты «Казахстанская» (последний объект работ по ЗДП в Карагандинском угольном бассейне) составляет 100 - 130 тысяч у.е.

Основное содержание работы опубликовано в следующих трудах автора:

1. Стефлюк Ю.М., Полчин А.И., Тытюк Н.Н. Разработка и подбор наиболее безопасной схемы управления метановыделением при отработке выемочного участка 221А-Д6 -10 на шахте «Тентекская» Угольного департамента АО «АМТ»//Уголь. -№ 5.-2009, -С.60-61.

2. Стефлюк Ю.М., Полчин А.И., Тытюк Н.Н. Применение комплексной дегазации при отработке высокометанообильных выемочных участков по пласту К10.//Уголь. -2011. -№ 11, -С.34-37.

3. Сластунов C.B., Мухамеджанов Д.Ж., Стефлюк Ю.М. Реальность и мечты на тему угольного метана (Проекты и прожекты в области углеметановых проблем в Карагандинском угольном бассейне). //Горный информационно-аналитический бюллетень. -2011. ОВ № 8 «Экология, метанобезопасность». -С. 9-22.

4. Сластунов C.B., Коликов К.С., Стефлюк Ю.М., Костогладов JI.M. Заблагровременная дегазация — основа эффективного и комплексного освоения углегазовых месторождений// Труды Межд. научно-практической конференции «Горно-металлургический комплекс Казахстана: проблемы и перспективы инновационного развития» (Караганда 29-30.11.2011). Изд-во КарГТУ. 2011. С. 74-78.

5. Хамимулда Б.Ж., Баймухаметов С.К., Стефлюк Ю.М. и др. Технологический регламент по проектированию вентиляции угольных шахт АО "АрселорМиттал Темиртау". МЧС РК. -2011. -287 с.

6. Хамимулда Б.Ж., Баймухаметов С.К., Стефлюк Ю.М. и др. Технологический регламент по ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа. МЧС РК. -2010. -178 с.

7. Стефлюк Ю.М. Обоснование выбора технологии пластовой дегазации выбросоопасных пластов для обеспечения их безопасной и интенсивной отработки в условиях Карагандинского угольного бассейна. -Депон. рук. Депозитарий изд-ва «Горная книга». Спр. № 879/04-12 от 23 января 2012 г. (15 стр.)

Подписано в печать 09.04.2012 г.

Объем 1 п.л._тираж 100 экз.

ОИУП МГГУ, Москва, Ленинский пр-т, 6

Формат 60*90/16 Заказ № 348

61 12-5/2722

ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

УГОЛЬНЫЙ ДЕПАРТАМЕНТ АО «АРСЕЛОР МИТТАЛ ТЕМИРТАУ»

СТЕФЛЮК ЮРИЙ МИХАИЛОВИЧ

Обоснование выбора технологии пластовой дегазации выбросоопасных угольных пластов для обеспечения их безопасной и интенсивной отработки

Специальность - 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность»

Научный руководитель: д.т.н., проф. Сластунов C.B.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

Содержание

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................6

1 Состояние вопроса...............................................................................................13

1.1 Запасы и состояние метана в угольном месторождении Карагандинского бассейна.................................................................................13

1.2 Анализ применяемых на шахтах Карагандинского бассейна способов дегазации..............................................................................................................19

1.3 Обоснование необходимости заблаговременной дегазационной подготовки для безопасности отработки угольных пластов в Карагандинском бассейне..................................................................................29

1.4 Заблаговременная дегазационная подготовка шахтных полей к безопасной и эффективной отработке скважинами с поверхности...............33

1.4.1 Карагандинский угольный бассейн..........................................................33

1.4.2 Состояние нетрадиционной технологии извлечения (добычи) метана в угольных бассейнах в США...............................................................38

1.5 Структура угольного пласта и особенности извлечения угольного метана...................................................................................................................40

1.6 Требования к методам извлечения метана и эффективные технологические схемы......................................................................................46

1.7 Цель, идея и задачи исследований..............................................................48

Выводы по главе 1...................................................................................................50

2 Аналитическое и экспериментальное обоснование усовершенствованной технологии пневмогидродинамического воздействия на выбросоопасные угольные пласты для повышения эффективности их заблаговременной дегазационной подготовки...................................................................................52

2.1 Базовая технология заблаговременной дегазационной подготовки угольных пластов скважинами с поверхности на основе их гидрорасчленения................................................................................................52

2.2 Экспериментальные исследования газового состояния пласта Дб на шахте им. Ленина................................................................................................57

2.3 Исследование эффективности пластовой дегазации из подземных выработок на объектах экспериментальных работ..........................................82

2.3.1 Снижение природной газоносности пласта скважинами, пробуренными из полевых выработок..............................................................82

2.3.2 Совершенствование предварительной дегазации угольного массива пластовыми скважинами....................................................................................85

2.4 Обоснование технологии извлечения метана из неувлажненных неразгруженных угольных пластов через скважины с поверхности с использованием малых объемов закачки (гидроклина)..................................90

2.4.1 Аналитическая модель процесса гидравлической обработки угольного пласта.................................................................................................90

2.4.2 Определение основных гидродинамических параметров угольного пласта на основе сопоставления теории и практики.......................................99

2.4.3 Анализ влияния длительности закачки воды на величину площади зоны гидрообработки........................................................................................102

2.4.4 Сопоставление полученных выводов с отечественными и зарубежными практическими результатами обработки угольных пластов 103

2.5 Обоснование выбора рабочих агентов с учетом термодинамики системы "уголь - метан - рабочий агент"........................................................107

2.6 Пневмовоздействие на угольный пласт....................................................111

2.7 Обоснование пневмотеплового воздействия на пласт............................113

Выводы по главе 2.............................................................................................117

3 Оценка результатов опытно-промышленных испытаний заблаговременной дегазационной региональной подготовки выбросоопаеных пластов к безопасной и интенсивной отработке................119

3.1 Обобщение проведенных работ по заблаговременной дегазационной подготовке шахтных полей с гидрорасчленением угольных пластов через скважины с поверхности........................................................................119

3.2 Внедрение и испытания комплекса пневмогидродинамических воздействий на поле шахты им. Ленина.........................................................122

3.3 Шахтные исследования процесса пневмотеплового воздействия на поле шахт «Сокурская» и им. Ленина.............................................................127

3.4 Анализ результатов натурных экспериментов.........................................138

3.4.1 Механизм воздействия............................................................................138

3.4.2 Расчет повышения температуры угольного пласта в зоне пневмотеплового воздействия.........................................................................140

3.4.3 Расчет дополнительного съема за счет тепловой десорбции..............142

Выводы по главе 3.................................................................................................143

4 Разработка технологической схемы и параметров усовершенствованной технологии пневмогидродинамического воздействия на газоносные неразгруженные угольные пласты....................................................................144

4.1 Горно-геологическая характеристика объекта.........................................145

4.2 Заложение и конструкция скважин. Геофизические работы..................146

4.3 Технологическая схема воздействия наугольный пласт Д6...................147

Выводы по главе 4.................................................................................................155

5 Разработка методического обеспечения по определению фактической эффективности ЗДП на стадии полевой подготовки и выбору способов пластовой дегазации на стадии проектирования.............................................156

5.1 Методика определения эффективности заблаговременной дегазационной подготовки запасов особовыбросоопасного пласта Д6 путём его гидрорасчленения через скважины ГРП №№ 28 и 29 на поле шахты «Казахстанская»....................................................................................156

5.1.1 Горно-геологическая характеристика объекта......................................158

5.1.2 Состав работ по оценке эффективности зон ЗДП на стадии проведения полевой подготовки выемочного участка..................................158

5.1.2.1 Проведение исследовательских работ на рабочем участке (РУ).....160

5.1.2.2 Проведение исследовательских работ на экспериментальном исследовательском участке (ЭИУ)..................................................................161

5.1.3 Методика проведения шахтного эксперимента по определению пластового давления, проницаемости и параметров сорбции разрабатываемого угольного пласта...............................................................162

5.2 Реализация методики определения эффективности заблаговременной дегазационной подготовки запасов особовыбросоопасного пласта Дб путём его гидрорасчленения через скважины ГРП №№ 28 и 29 на поле шахты «Казахстанская».....................164

5.3 Обоснование методических рекомендаций по выбору рациональных технологических схем пластовой дегазации угольных пластов..................177

Выводы по главе 5.................................................................................................189

6 Оценка экономической эффективности заблаговременной дегазационной подготовки шахтных полей к безопасной и интенсивной отработке на поле шахты «Казахстанская».............................................................................189

Выводы по главе 6.............................................................................................195

Заключение............................................................................................................196

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...........................................200

ВВЕДЕНИЕ

Проблема шахтного метана в современном горном производстве рассматривается главным образом как проблема обеспечения безопасности и экономической эффективности высокопроизводительной добычи угля. В то же время имеет место и обсуждается проблема промышленного использования метана в энергетике и других отраслях. Известна и экологическая проблема угольного метана, связанная с поступлением метана при подземной разработке угольных пластов в атмосферу.

Безусловно проблема метана прежде всего важна с точки зрения обеспечения безопасности горных работ и повышения экономической эффективности их функционирования [1,2]. При всей важности энергетической и экологической проблем метана они имеют вторичное значение.

В настоящее время основной объем угледобычи в Карагандинском угольном бассейне приходится на Угольный Департамент ОАО «АрселорМиттал Темиртау», в собственность которого в 1996 году перешло 15 из 26 угольных шахт. При этом были реализованы мероприятия по концентрации горного производства. Путем объединения шахтного фонда количество шахт в настоящее время сокращено до 8. В последние годы в Угольном Департаменте ОАО «АрселорМиттал Темиртау» взято направление на отработку рентабельных высокопроизводительных очистных забоев. При резком снижении количества одновременно работающих очистных забоев до 11-13, среднесуточная нагрузка на очистной забой повысилась до 2500-4000 тонн в сутки. Опыт работы шахты «Саранская» с нагрузкой на лаву до 8000 тонн в сутки доказывает перспективность этого направления. По существу шахты Угольного Департамента ОАО «АрселорМиттал Темиртау» переходят к более совершенному по уровню концентрации и интенсификации горных работ технологическому процессу «шахта - лава», когда шахта может обеспечить требуемую добычу из одной

лавы. Однако с ростом нагрузки на очистной забой резко повышается абсолютная газообильность выемочных участков. Так при нагрузке на лаву до 2000 т в сутки газообильность выемочного участка в Карагандинском бассейне составляет 40-50 мв минуту, а при нагрузке свыше 4000 т в сутки достигает 100 м'' в минуту. При этом только комплексная дегазация позволяет ведение горных работ с такими технико-экономическими показателями. Но даже при эффективности комплексной дегазации свыше 75-80 %, абсолютное газовыделение в атмосферу шахты достигает 30 м в минуту и сдерживает интенсивность отработки угольного пласта. Отметим, что достигнутая в настоящее время эффективность комплексной дегазации в значительной мере достигается за счет дегазации выработанного пространства. В тоже время, с ростом нагрузки на очистной забой резко возрастает вклад метана, выделяющегося из разрабатываемого пласта и разрушаемого в забое угля. Таким образом, дальнейшее совершенствование дегазации в условиях роста нагрузок на очистной забой свыше 3-5 тысяч тонн в сутки возможно за счет заблаговременного извлечения метана из угольного пласта и снижения его газоносности. При этом возникает задача корректировки параметров заблаговременной дегазационной подготовки, обеспечивающих как повышение эффективности этого способа дегазации, так и стабильность дебита метана при параметрах, необходимых для его эффективной утилизации.

Смертельный травматизм на газовых шахтах в странах СНГ, в том числе, в Казахстане, в десятки раз превышает аналогичные показатели в угледобывающих странах Европы, в США и в Австралии. Технико-экономические показатели работы газовых шахт на 35-50 % ниже, чем не газовых в аналогичных горно-геологических и горнотехнических условиях. Концептуально нашим угольным компаниям имеет смысл более широко использовать практику организации добычи высокогазоносного угля на шахтах названных стран, где в частности, широко применяется

заблаговременная дегазация угольных пластов скважинами с поверхности (так называемая ЗДП).

Основной природный барьер к высокопроизводительной и безопасной разработке высокогазоносных угольных пластов - содержащийся в них метан, с которым связаны такие основные опасности подземной угледобычи как взрывы метановоздушных смесей, внезапные выбросы угля, породы и газа.

Дальнейшее совершенствование дегазации в условиях роста нагрузок на очистной забой свыше даже 5-8 тысяч тонн в сутки возможно только за счет извлечения метана непосредственно из разрабатываемого угольного пласта.

Пластовая дегазация угольного пласта из подземных выработок имеет определенные ограничения по эффективности, что связано с ограниченным временем функционирования пластовых скважин (недостаточное временное опережение подготовительными работами очистных), снижением проницаемости пласта с увеличением глубины его залегания и невозможностью проведения мощных активных воздействий на толщу для увеличения ее природной газопроницаемости из-за недостатка времени и близости горных выработок к объекту дегазации.

Опыт освоения скважин ЗДП с использованием активных воздействий в Карагандинском угольном бассейне показывает, что данная технология может обеспечить 50 - процентное снижение природной газоносности, достигнутое извлечение на поверхность 6-9 м7т.

Производительность очистных забоев лимитирована по фактору вентиляции. Существующие на шахтах вентиляционные сети, их протяженность и состояние обуславливают крайне неэффективное использование подаваемого в шахту воздуха. В ряде случаев к очистным и подготовительным забоям подается лишь 30 - 35 % общего объема подаваемого воздуха. В результате производительность очистных забоев вдвое - втрое ниже технических возможностей оборудования. С развитием

горных работ ситуация имеет тенденцию к ухудшению.

В современных условиях планируемые нагрузки на ряде шахт Угольного департамента АО «АрселорМиттал Темиртау» составляют 800010000 т/сут, прогнозное газовыделение из разрабатываемого пласта может достигать 6,5 - 8,5 м7т. Без кардинального снижения газообильности горных выработок и в первую очередь разрабатываемого пласта обеспечить такую нагрузку не представляется возможным.

Рассматриваемая в работе и рекомендуемая с уточненными параметрами для внедрения на шахтах Угольного департамента ОАО «АрселорМиттал Темиртау» технология пневмогидродинамического воздействия вошла в разработанное в МГГУ с участием автора отраслевое руководство по заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов к безопасной и эффективной отработке, согласованное в установленном порядке с Ростехнадзором и в Инструкцию по заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов Карагандинского бассейна, утвержденную и согласованную в установленном порядке для применения на шахтах УД АО «АрселорМиттал Темиртау (Караганда, 2007).

Целью диссертационного исследования являются обоснование выбора технологии пластовой дегазации выбросоопасных угольных пластов для обеспечения их безопасной и интенсивной отработки на базе натурного исследования основных фильтрационных и газокинетических характеристик угольного пласта, а также разработки усовершенствованной технологии ЗДП выбросоопасных пластов для повышения эффективности их заблаговременной дегазации.

Идея работы заключается в использовании результатов аналитических и натурных исследований процессов массоперепоса метана в угольных пластах для получения достоверной информации об основных свойствах и состоянии углегазового массива, таких как величины пластового давления, газоносности, проницаемости и коэффициентов диффузии угля,

сорбционных характеристиках при обосновании выбора технологии пластовой дегазации выбросоопасных угольных пластов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Механизм комплексной технологии заблаговременной дегазационной подготовки (ЗДП) необводненных выбросоопасных угольных пластов путем их пневмогидрорасчленения базируется на предварительном гидрорасчленении пластов малыми объемами (гидроклин для раскрытия магистральных трещин на проектный радиус от скважин) с последующим пневмотепловым воздействием для повышения фазовой проницаемости, равномерности обработки и снижения сорбционной емкости угольного пласта, причем для снижения пылеобразующей способности угля, его выбросоопасности и повышения остаточной газоносности предусмотрено дополнительное воздействие на последней стадии работ - гидровоздействие в режиме гидратации пласта.

2. Эффективные параметры комплексной технологии заблаговременной дегазационной подготовки (ЗДП) необводненных выбросоопасных угольных пластов путем их пневмогидрорасчленения определяются на принципе максимального раскрытия трещин в зонах дегазации с минимальным снижением фазовой проницаемости пласта для газа с учетом термодинамики системы «уголь-метан-рабочий агент».

3. Научно обоснованные методические рекомендации по выбору основных технологических решений по пластовой дегазации высокогазоносных угольных пластов базируются на учете следующих основных факторов: прогнозной скорости газоотдачи угольных пластов, оцениваемой на стадии экспериментальных работ по определению основн