автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Совершенствование технологии пластовой дегазации угольных пластов в условиях их интенсивной разработки

На правах рукописі

00505Ь*ээ

ШМАТ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

Совершенствование технологии пластовой дегазации угольных пластов в условиях их интенсивной разработки

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 ДЕК 2012

МОСКВА 2012

005056255

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» и ОАО «СУЭК-Кузбасс» Научный руководитель доктор технических наук, профессор Сластунов Сергей Викторович, Московский государственный горный университет (МГГУ), заведующий кафедрой «Инженерная защита окружающей среды»

Официальные оппоненты: Забурдяев Виктор Семенович, доктор технических наук, ФГБУН «ИПКОН РАН», ведущий научный сотрудник

Устинов Николай Иванович, кандидат технических наук, ФГУП «ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского», ведущий научный сотрудник

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет» (г.Кемерово)

. ос

Защита диссертации состоится 13 декабря 2012 г. в .... часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.06 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан /г>. ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.128.06 //Л

доктор технических наук КОРОЛЕВА Валентина Николаевна

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Выделяющийся в горные выработки шахтный метан — основной сдерживающий фактор угледобычи. В настоящее время в России функционируют около 50 шахт III категории и сверхкатегорных по газу. Абсолютная метанообильность ряда шахт превышает 150 м3/мин. Ситуация усугубляется тем фактом, что во всех бассейнах России и СНГ идет углубление горных работ, что приводит к закономерному росту газоносности разрабатываемых пластов. Для рентабельной угледобычи эффективность дегазации во многих условиях должна быть не менее 50-60%. Критической величины достиг в последние годы смертельный травматизм от взрывов газа и пыли. Проблема метанобезопасности включает в себя достаточно много аспектов, одним из которых является разработка эффективных технологий пластовой дегазации. Именно пластовая дегазация во многих случаях является ключевым моментом обеспечения безопасных условий угледобычи при высоких нагрузках на очистные забои.

В связи с вышеизложенным совершенствование технологии пластовой дегазации угольных пластов в условиях их интенсивной разработки является актуальной задачей.

Целью работы является реализация принципа необходимости и целесообразности извлечения метана на всех стадиях разработки угольного месторождения на основе совершенствования технологий заблаговременной и предварительной пластовой дегазации углегазоносного массива скважинами, пробуренными с поверхности и из подземных выработок, для обеспечения необходимого уровня метанобезопасности интенсивной угледобычи в условиях высокопроизводительной отработки.

Идея работы заключается в применении гидродинамического воздействия на угольный пласт в режиме гидроудара при разработке энергосберегающей технологии дегазации высокопроизводительных

выемочных участков и шахтных полей в целом на стадиях их заблаговременной и предварительной дегазационной подготовки.

Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

1. Механизм гидроударного воздействия для совершенствования комплексной технологии пластовой дегазации неразгруженных от горного давления угольных пластов на стадиях их предварительной (из горных выработок) и заблаговременной гидрообработки основывается на использовании энергии рабочей жидкости гидровоздействия при ее самоистечении.

2. Эффективные параметры дегазационной подготовки газоносных угольных пластов для их безопасной и интенсивной отработки на основе гидродинамического воздействия должны обеспечивать реализацию эффекта обратного гидроудара.

3. Механизм реверсивного автопневмовоздействия на пласт из подземных пластовых выработок на стадии предварительной дегазации угольного пласта основывается на использовании энергии извлекаемого из дегазируемого массива метана, позволяющей повысить проницаемость пласта и эффективность его последующей дегазации.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

анализом научно-технических материалов и литературных источников, посвященных известным способам борьбы с метаном в угольных шахтах, в частности способам пластовой дегазации;

- представительным объемом шахтных исследований по определению основных свойств и характеристик углегазоносного массива, анализом горногеологических и горнотехнических условий, фактической оценкой эффективности способов пластовой дегазации, применяемых на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»;

- корректным использованием методов математической статистики при обработке результатов исследований.

Научное значение работы заключается в разработке усовершенствованных технологических схем пластовой дегазации и ее параметров на стадиях предварительной и заблаговременной дегазации на основе использования механизмов импульсного гидроударного воздействия и реверсивного автопневмовоздействия на угольный пласт.

Практическая ценность диссертации состоит в разработке рабочей методики определения основных фильтрационных и газокинетических свойств угольных пластов и технической документации на заблаговременную и предварительную дегазационную подготовку угольных пластов.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке «Технологической части проекта предварительной дегазации пласта «Болдыревский» из подготовительных выработок выемочного участка 2455 на поле шахты им. С.М.Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», «Технологической части проекта заблаговременной дегазационной подготовки пласта «Болдыревский» лавы 2460 на поле шахты им.С.М.Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» и «Технологической части проекта заблаговременной дегазационной подготовки пласта «Поленовский» лавы 2596 на поле шахты им. С.М.Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», утвержденных техническим директором ОАО «СУЭК - Кузбасс». Испытана на шахте им.С.М.Кирова технология интенсификации газовыделения из подземных дегазационных скважин путем реверсивного автопневмовоздействия.

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось в составе научно-технических отчетов в ОАО «СУЭК-Кузбасс» (2009-2011 гг.), на ежегодных научных симпозиумах «Неделя горняка» (2010-2012 гг.), научно-практической конференции в г. Киселевске (2008 г.), научных семинарах кафедры ИЗОС (2010-2012 гг.) и заседании

кафедр «Аэрология и охрана труда» и «Инженерная защита окружающей среды» МГГУ (2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 9 печатных работах, 8 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 23 таблицы, 36 рисунков, список литературы из 99 наименований.

Автор благодарит за участие в выполнении научных исследований, поддержку и ценные научно-методические консультации ученых и специалистов МГГУ, работников ОАО «СУЭК-Кузбасс» к.т.н. Ютяева Е.П., к.т.н. Мазаника Е.В., профессоров, д.т.н.: Сластунова C.B., Коликова К.С., Каркашадзе Г.Г, Каледину Н.О., Королеву В.Н. и некоторых других.

Основное содержание работы

Увеличение глубины ведения горных работ сопровождается ростом газоносности разрабатываемых угольных пластов. Исследованиями в Кузнецком угольном бассейне установлено, что рост газоносности вызывал снижение нагрузки на очистные забои по наиболее газовой группе шахт г.Кемерово в 2,6 раза, а по шахтам Киселовского и Прокопьевского районов -соответственно в 1,35 — 1,7 раза.

На современных глубинах ведения горных работ часть разрабатываемых пластов относится к опасным по газодинамическим явлениям. Современные способы предотвращения газодинамических явлений в значительной мере основаны на дегазации угольного пласта в целом, а также его призабойной части.

Вопросам обеспечения безопасности труда горняков, повышения эффективности горного производства и разработки способов и средств дегазации были посвящены работы A.A. Скочинского, H.H. Черницына, В.В. Ходота, С.А. Христиановича, Г.Д. Лидина, А.Э. Петросяна, И.В. Сергеева, B.C. Забурдяева, Н.И. Устинова, А.Т. Айруни,

4

В.И. Мурашова, В.А. Колмакова, О.И. Чернова, В.Н. Пузырева, JI.A. Пучкова, К.З. Ушакова, A.C. Бурчакова, Н.В. Ножкина, Ю.Ф. Васючкова, С.А. Ярунина, Н.О. Калединой, И.А. Швеца, Е.И. Преображенской, С.К. Баймухаметова, Ш.У. Ахметбекова,

Н.Х. Шарипова, М.В. Шмидта, В.А. Усенбекова, М.С. Садчикова, К.Д. Ли,

B.А. Громова и многих других.

Необходимо отметить, что работы по дегазации в значимых объемах велись в основном в Карагандинском и Донецком угольных бассейнах, а также на Воркутинском месторождении. Кузнецкий угольный бассейн до недавнего времени был относительно негазовым бассейном, что в первую очередь было связано с существенно меньшими глубинами разработки угольных пластов и, соответственно, со значительно меньшими значениями их природной газоносности. До последнего времени и на шахтах ОАО «СУЭК - Кузбасс» положение было аналогичное. Значительные нагрузки на очистной забой были достигнуты, например, на шахте «Котинская» (до 30 тыс.т/сутки) на глубинах до 300 м и при природной газоносности до 9 куб.м/т. При глубинах более 300 м и газоносности свыше 12-14 куб.м/т актуальной задачей становится изыскание высокоэффективных способов пластовой дегазации. Газовыделение из разрабатываемого пласта становится лимитирующим нагрузку фактором.

Для достижения поставленной цели в настоящей диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Выявить и обосновать пути совершенствования основных технологических решений по пластовой дегазации угольных пластов в условиях их интенсивной разработки и углубления горных работ.

2. Выполнить аналитический расчет нагрузок на очистной забой в зависимости от величины пластового давления в условиях шахты им.

C.М.Кирова «СУЭК - Кузбасс».

3. Обосновать научно-методический подход к выбору основных технологических решений по управлению газовыделением путем

дегазационной подготовки угольного пласта.

4. Разработать рабочую методику определения основных фильтрационных, газокинетических и сорбционных характеристик разрабатываемых газоносных угольных пластов в шахтных условиях.

5. Обосновать и разработать новые эффективные технологические схемы и основную техническую документацию (технологические части проектов) для обеспечения эффективной пластовой дегазации.

6. Оценить технико-экономическую эффективность работ по пластовой дегазации в условиях шахты им. С.М.Кирова ОАО «СУЭК -Кузбасс».

В диссертации проанализирован опыт работ по дегазации и борьбе с газом на угольных шахтах мира, и в частности шахтах России и СНГ. Отмечается, что благодаря технически грамотной инженерной политике в пр астику р £>о ы мно мх шахт СНГ была введена комплексная дегазация подготавливаемых к разработке угольных пластов, эффективность которой на ряде шахт достигает 75-80%. Однако даже такая высокая эффективность комплексной дегазации, включающей в себя не только дегазацию выработанного пространства, но также и дегазацию разрабатываемого угольного пласта из подземных выработок, не может обеспечить необходимый уровень нагрузок на очистные забои, и требуется применение дополнительных способов пластовой дегазации. Во многом это связано с ограниченной эффективностью пластовой дегазации из подземных выработок. Последнее объясняется вполне объективными причинами: ограниченностью времени дегазации, связанной с недостаточным опережением очистными работами подготовительных работ, сложностью проведения активных воздействий по увеличению природной газопроницаемости угольного пласта ввиду близости горных выработок и временных ограничений.

Снижение газоносности угля в зоне отработки на выемочном участке на 1-2 м3/т (средний показатель, подтвержденный как практикой, так и

аналитическими расчетами, лучшие показатели — до 3-4 м3/т) далеко не во всех случаях может решить проблему необходимого снижения газовыделения из разрабатываемого пласта для обеспечения планируемого уровня добычи угля.

Ограниченность по размерам дегазированной зоны косвенно подтверждается и тем фактом, что в настоящее время на шахтах, например, Карагандинского угольного бассейна, пластовые скважины из подготовительных выработок бурятся через 2-^4 м.

В ходе шахтных экспериментальных исследований была проведена оценка фактической эффективности подземной пластовой дегазации в целом по исследованию динамики газовыделения из дегазационных скважин на основном объекте диссертационных исследований — шахте им.С.М.Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Замеры производились на 15 выбранных скважинах (из анализа предыстории функционирования и схемы дегазации и дальнейшего визуального осмотра скважин), в зависимости от времени их функционирования (5 - «старые» - срок функционирования больше 12 мес., 5 - «средние» - около 6 мес., и 5 - «свежие»- меньше 2-3 мес.) с помощью ротаметров ЭМИС с различным диапазоном измерения до 10 и 100 л/мин.

Динамика изменения дебита подземных пластовых скважин во времени представлена на рис. 1.

Исследованная динамика изменения газовыделения из пластовых скважин, пробуренных по пласту «Болдыревский» из подготовительных выработок, показывает, что существенное изменение дебита (примерно с 3,5 14 г/мин (в среднем 5 г/мин) до 2 г/мин) происходит в первые 3-5 месяцев эксплуатации скважин, затем дебит стабилизируется на некоем фоновом уровне. Наиболее интенсивное газовыделение из скважин наблюдается

Вр-ми, мес

Рис. 1 Динамика изменения дебита подземных пластовых скважин во времени

первые 3 месяца эксплуатации. Подобная динамика подтверждает тот факт, что увеличение срока эксплуатации подземных дегазационных скважин не может кардинально решить задачу существенного повышения эффективности дегазации, так как основной съем метана осуществляется в первые 3-4 месяца извлечения газа.

Для достижения нагрузок на очистной забой порядка 20 - 30 тыс.т/сутки эффективность дегазации разрабатываемого пласта во многих случаях должна быть на уровне 50% и выше, что на сегодняшний день может обеспечить только заблаговременная или комплексная дегазация при использовании гидрорасчленения пластов через скважины с поверхности и пластовых скважин в зонах искусственно повышенной трещиноватости.

Заблаговременная дегазация угольных пластов путем их гидрорасчленения через скважины, пробуренные с поверхности, заключается в многократном повышении проницаемости пласта за счет раскрытия рабочими агентами, нагнетаемыми в скважину под высоким давлением, природной сети трещин и образовании новых трещин - с объединением их в единую систему, сообщающуюся через скважину с дневной поверхностью.

Возможность использования гидрорасчленения как регионального способа снижения газоносности угольных пластов и газообильности горных выработок рассмотрена в работах Ножкина Н.В., Бурчакова A.C., Васючкова

Ю.Ф., а впоследствие и ряда других специалистов. Особенности расчленения выбросоопасного угольного пласта изложены в работах Ярунина С.А.

Проанализировано влияние газоносности, горного давления и пластового давления метана на выбросоопасность угольного пласта. Показано, что главную угрозу при реализации выброса представляет энергия, которая выделяется в результате практически мгновенной десорбции газа (до 70%).

Обоснованы пути совершенствования основных технологических решений по пластовой дегазации угольных пластов в условиях их интенсивной разработки. Изучено влияние глубины залегания пласта на эффективность и технологию активного воздействия. Выявлено влияние увлажнения на процесс дегазации и выбросоопасные свойства угольных пластов.

В.В. Ходот отмечает, что при влажности 4-5 % и более метаноёмкость угля сокращается примерно в два раза и что пласт с таким влажным углем обычно не опасен по внезапным выбросам. О.И.Чернов и В.Н. Пузырев указывали, что с увеличением влажности угля снижаются его прочностные и упругие свойства и повышаются пластические. Исследования П. А. Ребиндера и других ученых показали, что жидкости, и особенно адсорбируемые поверхностно-активные вещества (ПАВ), при проникновении в поры и трещины угля создают расклинивающий эффект (эффект Ребиндера) и уменьшают внутреннее трение в угле, что приводит к снижению его прочности. Уменьшение прочности угля и повышение его пластичности при увлажнении приводит к уменьшению концентрации напряжений в зоне опорного давления впереди очистных и подготовительных выработок. Помимо снижения влияния горного давления в развязывании выбросов, увлажнение угля уменьшает скорость газовыделения из угля и тем самым снижает роль газового фактора в развитии выброса угля и газа. Лабораторными исследованиями в КО ВостНИИ (КазНИИБГП) было установлено, что при увлажнении угля начальная скорость газоотдачи

уменьшается по сравнению с сухим углем в 1,5- 2,5 раза. При влажности угля более 5-6 % начальная скорость газоотдачи угля снижается до таких пределов, при которых увлажнённые зоны угольных пластов становятся неопасными по выбросам угля и газа. Изложенное является во многом обоснованием применения в первую очередь гидравлических способов воздействия на высокогазоносные выбросоопасные или угрожаемые по внезапным выбросам угольные пласты, что, в частности, в настоящее время актуально для новых выемочных участков шахты им.С.М. Кирова.

Рекомендовано по опыту работ в Донецком и Карагандинском бассейнах при недостатке резерва времени на дегазацию (не более чем 1-2 года) в качестве базовой технологии пластовой дегазации технологическую схему ЗДП с последующей гидратацией пласта. Суть способа заключается в том, что после ГРП ведется освоение скважин с извлечением воды и газа на по вгрхно сть, а за 3-6 месяцев до подхода горных работ к зоне дегазации скважина перестает осваиваться и в пласт периодически подается вода для поддержания столба воды в скважине для более полного увлажнения углегазоносного массива за счет сил самодвижения воды (например, капиллярных сил) и блокирования оставшегося в пласте метана в мельчайших порах и трещинах угля, что приводит к существенному снижению газовыделения из пласта в горные выработки.

Исследованы перспективы и технологические возможности различных схем гидровоздействия на угольный пласт в части повышения газопроницаемости последнего. Исследованы возможности реализации технологии извлечения метана путем гидроимпульсного воздействия с использованием эффекта обратного гидроудара.

Принципиальная технологическая схема реализации

усовершенствованного способа гидрообработки угольного пласта предусматривает следующее. На линии сброса рабочей жидкости из скважины установлена задвижка, которая циклично открывается и закрывается. Длительность открытия и закрытия заслонки выбирают так,

чтобы ударная волна сжатия-растяжения совершила хотя бы одно колебательное движение. Рекомендуемый диапазон времен^ / перекрытия жидкости в цикле определяют из выражения

Дг = к

1 + Я

с

(1)

где ¿-эмпирический коэффициент, равный2...10; ¿-глубина залегания пласта, м; Я - радиус зоны гидравлической обработки, м; с - скорость ударной волны в жидкости, м/с.

В начале указанного интервала времени происходит резкое торможение исходящего из скважины потока, жидкость сжимается, причем фаза сжатия длится в течение времени {Ь+К)1с. При сжатии жидкости возрастает давление и реализуется явление гидравлического удара. Давление при гидроударе, с учетом ударного давлений ( Р), превышает первоначальное устьевое давление (Р). Ударное давлениеД( Р) прямо пропорционально плотности рабочей жидкости (р), скорости ударной волны в жидкости (с) и скорости истечения жидкости из скважины (V), т.е. Ь.Р=рсУ. В течение такого же времени реализуется фаза растяжения. Поэтому длительность одного цикла сжатия-растяжения составляет^ 2 Ь+К)/с. Создание гидравлических ударов прекращают, когда максимальное давление гидравлического удара в цикле становится меньше величины устьевого давления жидкости до ее первоначального истечения из скважины.

Если не учитывать деформации стенок скважины, то величина максимального ударного давления на второй фазе гидроудара вычисляется по формуле Н.Е.Жуковского:

Если скорость истечения воды из трубы диаметром 70мм составляет 15м/с, то в соответствии с уравнением неразрывности потока скорость

Др=рсУ.

(2)

истечения воды в скважине диаметром 98 мм У=15м/с-(70/98)2=7,65 м/с. Тогда максимальное превышение давления гидроудара, распространяющееся по скважине от заслонки до угольного пласта, составит:

Ар=1000кг/м3'7,65м/с1400м/с=10,7'10б11а. (3)

При свободном истечении жидкости (сбросе) ее первоначальный максимальный расход (д0) может достигать 70 % от расхода воды при закачке жидкости в скважину. Таким образом, при вышеуказанных параметрах давление при гидроударе, реализуемое на максимальной скорости истечения жидкости из скважины, может превышать давление режима закачки в 1,5...2 раза.

Для условий лавы 2460 шахты им.С.М.Кирова методические рекомендации по выбору технологической схемы пластовой дегазации через скважины с поверхности представлены схематически следующим образом (табл. 1).

Таблица 1. Технологическая схема пластовой дегазации через скважины с поверхности

Этап 1 Оценка уровня добычи угля. Наличие и величина «газового барьера» Прогноз динамики газоотдачи неразгруженных угольных пластов с учетом оценки пластового давления Резерв времени на пластовую дегазацию

Научное обоснование конструирования общей технологической схемы

Заблаговременная (предварительная) дегазация угольного пласта 2460 скважинами с поверхности

Параметры общей технологической схемы

Определяются проектом

Этап 2 Состав ГДИ Вскрытие пласта Основная схема Вспомогательная схема Дополнительная схема

Газоносность, По результатам освоения скважин ГРП

пластовое давление, проницаемость, кэффициенты Ленгмюра Совершенное вскрытие Гидроударное воздействие (ГУВ) Гидровоздействие в режиме фильтрации

В качестве основной (базовой) технологии заблаговременной дегазации принята технология гидрорасчленения угольного пласта с поверхности с применением гидроударного воздействия на стадии истечения рабочей жидкости после завершения гидрообработки угольного пласта. В качестве вспомогательного воздействия предусматривается гидровоздействие в режиме фильтрации для реализации процесса гидратации пласта. Эта технология может быть применена в том случае, если недостаток времени на заблаговременную дегазацию не позволит извлечь из дегазируемого пласта запланированное количество метана и будет целесообразно заблокировать оставшуюся часть метана в мельчайших порах и трещинах пласта.

В работе также рассмотрен нетрадиционный вариант ЗДП, предусматривающий в необходимых случаях (когда требуется достижение коэффициента дегазации пласта 0,5 и более) экономически обоснованное уменьшение расстояния между скважинами. Возможен, например, вариант двухрядного расположения скважин на выемочном участке (при длине забоя 300 и более метров). При таком варианте скважиньг ЗДП решают газовые проблемы не только при ведении очистных, но и подготовительных работ, что в ряде случаев не менее актуально (рис. 2).

Рис. 2 Вариант двухрядного заложения скважин ЗДП (ГРП)

С учетом изложенного были выбраны комплексные технологические схемы пластовой дегазации на первоочередных объектах шахты

им.С.М.Кирова - в лавах 2460 (пласт «Болдыревский») и 2596 (пласт «Поленовский») - заблаговременная дегазация с поверхности, в лаве 2455 -предварительная из подготовительной выработки. Определены основные параметры базовой технологии. Обоснован методический подход к выбору параметров заложения скважин заблаговременной дегазации с учетом планируемой нагрузки на очистной забой.

Разработана рабочая методика и выполнены шахтные эксперименты по определению фильтрационных и газодинамических параметров газоносного угольного пласта «Болдыревский» на шахте им. С.М. Кирова. Схема расположения пластовых скважин представлена на рис. 3. Величина пластового давления метана, коэффициент проницаемости угольного пласта и параметры сорбции Ленгмюра в значительной мере определяют газообильность выемочного участка, и знание этих параметров необходимо для оптимального планирования работы выемочного участка с высокими нагрузками на очистной забой. Кроме того, указанные параметры представляют интерес при решении актуальных задач дегазации угольных пластов из подземных выработок и заблаговременного извлечения метана через скважины, пробуренные с поверхности. Полученные фактические данные по указанным свойствам и характеристикам легли в основу разработанных технологических проектов на предварительную и заблаговременную дегазацию угольных пластов на поле шахты им. Кирова.

Обработка и освоение комплекса скважин ЗДП на этом шахтном поле обеспечивают заблаговременное извлечение метана из угольных пластов, подготавливаемых для безопасной отработки в 2015 гг. Прогнозное извлечение метана из зон влияния скважин ГРП на момент отработки лавы 2460 планируется на уровне 5-7 м3/т.

На этапе представительных шахтных экспериментов было установлено, что достоверную информацию по величине пластового давления, проницаемости и основным сорбционным характеристикам более надежно получать при бурении скважин на угольный пласт через породную пробку, где имеется возможность надежной герметизации скважины на давления,

составляющие не менее гидростатического. Типичная динамика газовыделения из пласта «Болдыревский» при такой технологии замеров показана на примере скважины 2-Э (рис. 5).

в-в

1 2 ] 3

Рис. 3- Расположение пластовых скважин на вывемочном участке для определения фильтрационных и газодинамических параметров угольного пласта.

1 - угольный пласт; 2 - вмещающие породы; 3 - дегазационные скважины;

4 ,5- вентиляционный и откаточный штреки; 6 - направление движения лавы; 7 - магистральный газопровод; В - аппаратура для измерения пластового давления, 9 - направление газовоздушного потока.

Обустройство глубинного участка скважины для измерения пластового давления приведены на рис. 4.

3 -металпопластиковая труба диаметром 25-30 мм; 4 - полихлорвиниловая трубка (для подачи полимера); 5 - вентиль; 6 - манометр 7 - резиновые фартуки; 8 - непористый

связующий полимер

Рис. 4 Обустройство скважины для измерения пластового давления по разработанной рабочей методике

/

. /

/

7

/ /

/

°,э 2 і 6 8 10 12 14 16

врема, сут

Рис. 5 Темп нарастания давления метана в экспериментальной скважине 2-Э

Существенный научный интерес представляли шахтные исследования по определению дебита метана из дегазационной пластовой скважины на стадиях циклического перекрытия заслонки. Эти эксперименты позволили обосновать и разработать технологию интенсификации газоотдачи из подземных пластовых скважин путем реверсивного автопневмовоздействия.

Технологическая операция перекрытия заслонки на устье дегазационной скважины приводит к повышению давления метана в окрестности скважины в зоне дезинтеграции, возникшей в процессе бурения скважины, что сопровождается проникновением газа в глубь угольного массива и повышения тем самым его проницаемости. Последующая дегазация угольного пласта приводит к усадке угольных матриц и, соответственно, способствует увеличению проницаемости угля. Имеются теоретические предпосылки того, что цикличное уменьшение и повышение давления в угольном пласте может в конечном итоге привести к результирующему положительному эффекту — повышению эффективности дегазации угольного пласта. Физической основой ожидаемого эффекта может являться процесс активного воздействия на газонасыщенный угольный пласт, реализуемый по механизму реверсивного автопневмовоздействия на пласт (АПВ). Сущность воздействия может быть объяснена следующим образом. После закрытия скважины притекающий из массива газ создает избыточное давление, которое монотонно поднимается до величины пластового давления газа в неразгруженном от горного давления массиве и устанавливается на этой величине. В прискважинной зоне дезинтеграции пласта в процессе бурения возникали новые мельчайшие трещины и фильтрующие поры, в общем случае не связанные между собой в единую систему, ориентированную к скважине. Это объясняется тем, что образование новых каналов было связано с фактором изменения напряженного состояния массива вокруг буримой скважины, а не с процессом проникновения в массив текучего - воды или газа. В процессе повышения давления в скважине накапливающийся метан под избыточным давлением фильтруется в прискважинной зоне, проникая во вновь

образовавшиеся каналы в зоне дезинтеграции и связывая их в единую систему, ориентированную к скважине, которая впоследствии после её открытия будет функционировать как газоотводящая. Вновь созданная дополнительная система мельчайших фильтрующих пор и трещин имеет дополнительные поверхности обнажения угольного пласта, которые под действием пластового давления формируют в конечном итоге дебит пластовой скважины, т.е. определяет основной показатель, характеризующий эффективность пластовой дегазации.

Технологически процесс АПВ должен реализоваться следующим образом. После стабилизации давления в скважине на величине, принимаемой нами в качестве величины пластового давления, скважина открывается и присоединяется к магистральному газопроводу, проложенному в подготовительной выработке, из которой бурились дегазационные пластовые скважины. Ведется постоянный контроль за дебитом скважины. При падении дебита до уровня среднего дебита соседних скважин исследуемая скважина вновь закрывается, и процесс восстановления давления повторяется. Затем скважина вновь плавно открывается и ведется оценка дебита скважины после АПВ во втором цикле. В общем случае принимается 3-5 цикла, и далее ведется эксплуатация скважины в штатном режиме.

На начальный момент через одни сутки после открытия экспериментальной скважины 1-Э замер дебита газа ротаметром показал величину дебита - 25 л/мин (0,025 м3/мин). Замер дебита газа через следующие 1 и 2 месяца, соответственно, показали практически то же самое значение.

На данном участке подземной пластовой дегазации расстояние между дегазационными скважинами составляло 15 м. На 12-ти соседних скважинах (зона сравнения) дебит не превышал 2-3 л/мин.

Таким образом, в реализованном шахтном эксперименте после открытия дегазационной скважины 1-Э и сброса давления было установлено, что дебит метана в 5 - 10 раз превышает дебиты соседних скважин. Работы

по замерам дебитов продолжаются для получения общей объективной и представительной оценки эффективности процесса интенсификации газовыделения из пластовых скважин в режиме АПВ. Проведенные к настоящему времени испытания на 4 скважинах подземной пластовой дегазации подтвердили порядок приведенных выше цифр, говорящих об эффективности изучаемого технологического решения по интенсификации газовыделения из угольного пласта на стадии его предварительной дегазации.

Таким образом, установлено, что при закрытии скважин с ростом пластового давления происходит частичное пневморасчленение угольного пласта вокруг скважины, что существенно повышает газопроницаемость угольного пласта и, как следствие, увеличивает дебит скважин в несколько (в пять и более) раз.

Циклическое закрытие и открытие пластовых скважин является важной технологической операцией, являющейся основой новой технологии интенсификации газовыделения из пластовых скважин — технологии реверсивного автопневмовоздействия на угольный пласт за счет внутренней энергии газонасыщенного массива угля.

Дано технико-экономическое обоснование извлечения и использования метана на действующих шахтах. Рассмотрен методический подход к оценке экономической эффективности извлечения метана из угленосной толщи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно - квалификационной работой, содержащей решение актуальной для угольной отрасли задачи интенсивной и безопасной отработки газоносных угольных пластов с применением усовершенствованных технологий пластовой дегазации на основе использования импульсного гидроударного и реверсивного автопневмовоздействия на углегазоносную толщу на стадии ее заблаговременной и предварительной дегазации.

Лично автором получены следующие основные научные результаты и выводы:

1. Установлен и обоснован механизм гидроударного воздействия для совершенствования технологии пластовой дегазации не разгруженных от горного давления угольных пластов на стадии их предварительной (из горных выработок) и заблаговременной (скважинами с поверхности) гидрообработки, основывающийся на использовании энергии рабочей жидкости гидровоздействия при ее самоистечении.

2. Обоснованы параметры заблаговременной дегазационной подготовки газоносных угольных пластов скважинами с поверхности на основе циклического гидровоздействия, осуществляемого с использованием эффекта обратного гидроудара, в частности, обоснована частота перекрытия истекающего из скважины потока с помощью шарового клапана, а также технологическая последовательность операций, обеспечивающая достижение поставленных целей.

3. Научно обоснованы методологические подходы к выбору конкретной комплексной схемы пластовой дегазации, адекватной горногеологическим и горнотехническим условиям отработки угольного пласта, на основе текущего экспериментального определения пластового давления газа в последнем и основных сорбционных характеристик угля, позволяющих достоверно определять требуемую глубину дегазации.

4. Разработана методическая документация по изучению свойств и состояния угольных пластов, в частности рабочая методика проведения шахтного эксперимента по определению пластового давления, проницаемости и основных сорбционных характеристик разрабатываемого угольного пласта для выбора эффективных технологий пластовой дегазации и достоверной оценки предельно допустимых нагрузок на очистные забои по газовому фактору.

5. Установлен и обоснован механизм автопневмовоздействия на пласт из подготовительных горных выработок для повышения его газоотдачи, заключающийся в том, что при перекрытии дегазационной пластовой скважины нарастающее газовое давление в последней способствует реверсивному проникновению газа в пласт, повышению его газопроницаемости и эффективности последующей пластовой дегазации.

6. Разработана и утверждена методика реализации технологии интенсификации газовыделения из подземных дегазационных скважин путем автопневмовоздействия, предусматривающая периодическое закрытие подземных пластовых скважин до достижения давления газа в скважине уровня пластового давления и последующее открытие скважин для интенсивного извлечения метана.

7. Обоснован методический подход к выбору параметров заложения скважин заблаговременной дегазации с учетом планируемой нагрузки на очистной забой, а также обеспечения эффективного и безопасного проведения подготовительных горных работ.

8. Разработана, утверждена и принята к реализации основная технологическая документация на проведение предварительной пластовой дегазации из подземных выработок и заблаговременной дегазации угольного пласта скважинами с поверхности с использованием эффекта обратного гидроудара: «Технологическая часть проекта предварительной дегазации пласта «Болдыревский» из подготовительных выработок выемочного участка 2455 на поле шахты им.С.М.Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», «Технологическая часть проекта заблаговременной дегазационной подготовки пласта «Болдыревский» лавы 2460 на поле шахты им.С.М.Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» и «Технологическая часть проекта заблаговременной дегазационной подготовки пласта «Поленовский» лавы 2596 на поле шахты им.С.М.Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», утвержденные техническим директором ОАО «СУЭК - Кузбасс». Прогнозное извлечение метана из зон влияния скважин ГРП на момент отработки лав 2460и 2596планируется на уровне 5-7 м3/т.

9. Дано технико-экономическое обоснование извлечения и использования метана на действующих шахтах. Рассмотрен методический подход к оценке экономической эффективности извлечения метана из угленосной толщи. Разработано технико-экономическое обоснование работ по дегазации угольных пластов и подготовке выемочных участков к безопасной и эффективной отработке.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях автора:

1. Сластунов C.B., Шмат В.Н., Никитин С.Г. Предпосылки шахтной апробации технологии заблаговременной дегазационной подготовки выбросоопасных угольных пластов в Кузбассе//Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). -2011. -ОВ № 8 «Экология, метанобезопасность». -С.81-87.

2. Сластунов C.B., Ермак Г.П., Шмат В.Н. Разработка основных технических решений заблаговременной дегазационной подготовки выбросопасных угольных пластов Кузбасса// ГИАБ. -2011. -ОВ№8 «Экология, метанобезопасность». -С.109-118.

3. Гришин В.Ю., Шмат В.Н., Лагутин Л.В., Кравчук И.Л. Повышение результативности производственного контроля на шахте//Уголь. -2011. -№5. -С. 94-96.

4. Сластунов C.B., Каркашадзе Г.Г., Иванов Ю.М., Шмат В.Н. Разработка технологических рекомендаций по предварительной дегазации пласта «Болдыревский» из подготовительных выработок на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс»// ГИАБ. -2011. -ОВ№8 «Экология, метанобезопасность».-С. 22-29.

5. Каркашадзе Г.Г., Иванов Ю.М., Шмат В.Н. Анализ процесса гидравлической обработки низкопроницаемого угольного пласта с применением насосов высокого давления// ГИАБ. -2011. -ОВ№8 «Экология, метанобезопасность».-С. 154-158.

6. Сластунов C.B., Ермак Г.П., Шмат В.Н. Методология выбора технологических схем дегазационной подготовки угольных пластов к безопасной и интенсивной разработке// ГИАБ. -2011. -ОВ№8 «Экология, метанобезопасность».-С. 113-127.

7. Каркашадзе Г.Г., Шмат В.Н., Волков М.А. Методика определения пластового давления, проницаемости и сорбционных свойств угольного

пласта по результатам шахтных измерений// ГИАБ. -2011. -ОВ№8 «Экология, метанобезопасность». -С. 195-203.

8. Ларионов П.В., Шмат В.Н., Никитин С.Г. Дегазация угольного пласта в пространстве между вентиляционным и откаточным штреками// ГИАБ. -2011. -ОВ№8 «Экология, метанобезопасность». -С. 215-219.

9. Шмат В.Н. Разработка технологии пластовой дегазации выбросоопасных пластов в условиях их интенсивной и безопасной отработки// ГИАБ, 2012, № 4. Депонированная рукопись. Депозитарий изд-ва «Горная книга». Справка № 881/04-12 от 23 января 2012 г. (21 стр.)

Подписано в печать 12.11.2012. Формат 60x90/16. Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1452.

Отпечатано ОИУП МГГУ. 119991, г. Москва, Ленинский пр-т, д. 6.

ВВЕДЕНИЕ.

1 Состояние проблемы, цель и задачи исследований.

1.1 Обзор и анализ проблем шахтного метана.

1.2 Оценка запасов и состояния метана в угольном месторождении.

1.3 Проблема обеспечения метановой безопасности средствами дегазации при работе современных угольных шахт.

1.4 Заблаговременная подготовка угольных пластов к отработке.

1.5 Влияние газоносности, горного давления и пластового давления метана на выбросоопасность угольного пласта.

1.6 Цель, идея и задачи исследований.

Выводы по главе 1.

2 Разработка и совершенствование основных технологических решений по пластовой дегазации угольных пластов в условиях их интенсивной разработки.

2.1 Влияние глубины залегания пласта на эффективность и технологию активного воздействия.

2.2 Влажность угля.

2.3 Гидровоздействие на угольный пласт.

2.4 Разработка усовершенствованной технология гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт.

2.4.1 Аналитическое обоснование технологии воздействия на угольный пласт с использованием эффекта гидроудара.

2.4.2 Проведение стендовых испытаний гидроударного устройства.

2.5 Расчет нагрузок на очистной забой в зависимости от величины пластового давления в условиях шахты им. С.М.Кирова «СУЭК Кузбасс».

2.6 Научно-методический подход к выбору основных технологических решений по управлению газовыделением путем заблаговременной дегазационной подготовки угольного пласта.

2.6.1 Конструирования общей технологической схемы заблаговременной дегазации.

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

2.7 Рекомендации по повышению производительности очистных работ при отработке газоносных угольных пластов на поле шахты им. Кирова.

2.7.1 Выбор комплексной технологической схемы пластовой дегазации на первоочередных объектах шахты им. Кирова.

2.7.2 Параметры основной (базовой) технологии комплексной дегазации неразгруженных угольных пластов через скважины, пробуренные с поверхности.

2.8 Обоснование методического подхода к выбору параметров заложения скважин заблаговременной дегазации с учетом планируемой нагрузки на очистной забой.

Выводы по главе 2.

3 Разработка и реализация в шахтных условиях методической документации по изучению свойств и состояния угольных пластов.

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

3.1.1 Определение пластового давления, проницаемости и сорбционных параметров угля.

3.1.2 Применяемое оборудование.

3.1.3 Последовательность проведения испытаний.

3.1.4 Пример реализации.

3.1.5 Определение дебита метана из дегазационной скважины на стадиях циклического перекрытия заслонки.

3.2 Реализация методики в шахтных условиях.

3.2.1 Описание эксперимента по определению пластового давления при бурении скважин в плоскости пласта.

3.2.2 Результаты шахтного эксперимента на скважине № 1-Э.

3.2.3 Определение дебита метана из дегазационной пластовой скважины на стадиях циклического перекрытия заслонки.

3.2.4 Описание эксперимента по определению пластового давления в скважине, пробуренной на пласт через породную пробку.

3.2.5 Результаты эксперимента на скважине № 2-Э.

3.3 Оценка эффективности подземной пластовой дегазации, осуществляемой из подготовительных выработок по исследованию динамики газовыделения из дегазационных скважин.

Выводы по главе 3.

4 Разработка основной технологической документации на проведение пластовой дегазации выбросоопасного угольного пласта с использованием гидродинамического воздействия.

4.1 Разработка основной технологической документации на проведение гидроударного воздействия на пласт из подземных выработок на выемочном участке 2455.

4.1.1 Описание технологической схемы гидравлической обработки угольного пласта с использованием эффекта гидроудара.

4.1.2 Обоснование параметров гидрообработки.

4.1.3 Обоснование параметров применяемого оборудования.

4.1.4 Описание гидроударного устройства конструкции МГГУ.

4.1.5 Обоснование режима гидрообработки и ожидаемые результаты.

4.2 Разработка основной технологической документации на проведение заблаговременной дегазации выбросоопасного угольного пласта скважинами с поверхности.

4.2.1 Заложение и конструкция скважин.

4.2.2 Технологическая схема воздействия на угольный пласт «Болдыревский».

Выводы по главе 4.

5 Разработка технико-экономического обоснования работ по дегазации угольных пластов и подготовке выемочных участков к безопасной и эффективной отработке.

5.1 Методика оценки экономической эффективности извлечения метана из угленосной толщи.

5.2 Пример ТЭО строительства и эксплуатации дегазационного комплекса на шахте им. Кирова с использованием метода ГРП.

Выводы по главе 5.

Выделяющийся в горные выработки шахтный метан - основной сдерживающий фактор угледобычи. В настоящее время в России функционируют около 50 шахт III категории и сверхкатегорных по газу. Абсолютная метанообильность некоторых из них превышает 150 м /мин. Для рентабельной угледобычи эффективность дегазации на таких шахтах должна быть не менее 50-60%. Критической величины достиг за последние годы смертельный травматизм от взрывов газа и пыли. К сожалению, не просматривается тенденция к улучшению ситуации. Проблема метанобезопасности ждет своего безотлагательного решения.

За годы реструктуризации угольной промышленности перестали функционировать более 200 угольных шахт, а с либерализацией экономики в угольной промышленности наметилась положительная тенденция на обновление основных фондов организаций по добыче и переработке угля и замену морально устаревшей и физически изношенной горновыемочной техники на новую высокопроизводительную. И сегодня в плане эффективности производства можно говорить о соответствии отечественной угледобывающей и перерабатывающей промышленности мировым достижениям.

Уменьшение количества шахт и задействованных в отрасли работников, количество которых в период 1996 по 2010гг. сократилось с 300,7 до 116,8 тыс. позволяет обеспечить снижение абсолютного количества аварий и случаев смертельного травматизма. В тоже время продолжает вызывать обеспокоенность нестабильный тренд динамики смертельного травматизма.

Скачкообразный характер смертельного травматизма вызван происходящими на шахтах крупными авариями с количеством жертв, превышающим 10 человек. В 1997г. аварии на шахтах «Зыряновская» и

Баренцбург», погибло соответственно 67 и 23 человек. В 2004г. в авариях на шахтах «Тайжина» и «Листвяжная» смертельно травмированы 47 и 13. В 2007г. на шахтах «Ульяновская», «Юбилейная» и «Комсомольская» в результате аварий погибло соответственно 110, 39 и 11. В 2010г. на шахте «Распадская» и «Алексеевская» - 91 и 2.

Исследованиям, направленным на разработку безопасных подземных геотех пологий на современном этапе развития научно-технического прогресса в угледобывающей отрасли, посвящены работы ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского, ИПКОН РАН, ВНИМИ, ИГД СО РАН, Института угля СО РАН, Печорниипроекта, МГГУ, С-ПбГИ (ТУ), КузГТУ, СибГИУ, ряда угледобывающих компаний (СУЭК, УК «Южкузбассуголь» и др.) и ряда других организаций.

Наиболее значительные аварии в угольной отрасли связаны с взрывами метана, выделяющегося из угольных пластов. Взрывы и вспышки метана инициируют взрывы угольной пыли, сопровождаются тяжелым материальным ущербом и большим числом человеческих жертв. Катастрофическим примером может служить последняя авария на шахте «Распадская».

Смертельный травматизм на газовых шахтах в нашей стране 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

Из шахт России ежегодно выделяется более 8 млрд. м3 метана, а утилизируется менее 10 % этого объема, что наносит ущерб окружающей среде и приводит к потере метана как энергетического ресурса. При этом нормативно-методическая база проектирования систем метанобезопасности угольных шахт в России отсутствует или оставляет желать лучшего.

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 метана и пыли, внезапные выбросы угля и газа с катастрофическими последствиями.

Среднемесячная нагрузка на очистной забой на шахтах основных угледобывающих бассейнов постоянно и существенно возрастает и превысила в настоящее время на ряде шахт 16 тыс. тонн в сутки (на шахте «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс» нагрузка уже достигала более 29 тыс. топи в су1ки, на шахте им. Кирова - более 17 тыс.т/сутки, на шахте «Талдипская-Западная - более 34 тыс.т/сутки ).

В этих условиях резко повышается абсолютная газообильность выемочных участков и только комплексная дегазация позволяет ведение горных работ с высокими технико-экономическими показателями. Дос1 и гнутая в настоящее время эффективность комплексной дегазации в значительной мере определяется глубокой дегазацией выработанного пространства. Однако с ростом нагрузки на очистной забой резко возрастает вклад метана, выделяющегося из разрабатываемого пласта и разрушаемого в забое угля. 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, снижением проницаемости пласта с увеличением глубины его залегания и невозможностью проведения мощных активных воздействий на толщу из-за близости горных выработок к объекту дегазации.

Опыт заблаговременной дегазационной подготовки (ЗДП) шахтных полей и выемочных участков через скважины, пробуренные с поверхности, в 8

Карагандинском и Донецком угольных бассейнах показывает, что данная технология может обеспечить 50 - процентное снижение природной 1 азоносности, достигнутое извлечение на поверхность 6-9 м3/т.

В современных условиях планируемые нагрузки на ряде шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» составляют 20000-25000 т/сут, прогнозное газовыделение о из разрабатываемого пласта может достигать 4,5-6,5 м /т. Без кардинального снижения газообильности горных выработок и в первую очередь разрабатываемого пласта обеспечить такую нагрузку не представляется возможным. Проведение заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов к безопасной и эффективной отработке было предусмотрено разработанной Управлением угольной промышленности «Росэнерго» и МГГУ и согласованное Ростехнадзором концепцией обеспечения метанобезопасности угольных шахт России.

Технологическая новизна выполненной диссертационной работы заключается в разработке принципиальной методической и технологической документации на совершенствование технологии пластовой дегазационной подготовки выбросоопасных угольных пластов на стадиях:

• предварительной дегазации из подготовительных выработок;

• заблаговременной дегазации скважинами с поверхности.

На стадии предварительной дегазации совершенствование может осуществляться путем определения оптимальных параметров подземной пласговой дегазации и путем включения в технологическую схему этапа проведения активных гидродинамических воздействий, в частности гидроимпульсных воздействий с использованием эффекта обратного гидроудара и некоторых других воздействий.

На стадии заблаговременной дегазации технологическая схема должна базироваться на изменении свойств и состояния выбросоопасного

I азонасыщенпого массива путем активных воздействий через скважины с поверхности в различных технологических модификациях в зависимости от резерва времени на обработку, необходимой глубины дегазации и степени 9 выбросоопасности, а также применения комплексной дегазации, включающей в себя активные воздействия по повышению газопроницаемости массива скважинами с поверхности с раскрытием основных систем трещин в угольном пласте и дальнейший съем основного объема газа пластовыми скважинами, пробуренными из подземных выработок в зоны повышенной проницаемости и газоотдачи.

В работе предполагается определить эффективные и оптимальные параметры разрабатываемых технологических схем на основе математического и физического моделирования на базе фактических характеристик угля (сорбционных характеристик, пластового давления, газопроницаемости и др.), полученных в процессе проведения шахтных экспериментальных работ на объектах исследования (шахта им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс»).

Цслыо работы является реализация принципа необходимости и целесообразности извлечения метана на всех стадиях разработки угольного месторождения на основе разработки усовершенствованных технологий заблаговременной и предварительной пластовой дегазации углегазоносного массива скважинами, пробуренными с поверхности и из подземных выработок, для обеспечения необходимого уровня метанобезопасности интенсивной угледобычи в условиях высокопроизводительных участков.

Идея работы заключается в разработке энергосберегающей технологии дегазации высокопроизводительных выемочных участков и шахтных полей в целом с применением гидродинамического воздействия в режиме гидроудара на стадиях заблаговременной и предварительной дегазационной подготовки.

Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. Механизм гидроударного воздействия для совершенствования комплексной технологии пластовой дегазации неразгруженных от горного давления угольных пластов на стадиях их предварительной (из горных выработок) и заблаговременной гидрообработки основывается на

10 использовании энергии рабочей жидкости гидровоздействия при ее самоисчечснии.

2. Обоснованные параметры дегазационной подготовки газоносных угольных пластов для их безопасной и интенсивной отработки на основе гидродинамического воздействия должны обеспечивать реализацию эффекта обрапю1 о гидроудара.

3 Механизм реверсивного автопневмовоздействия на пласт из подземных пластовых выработок на стадии предварительной дегазации угольного пласта основывается на использовании энергии извлекаемого из дегазируемого массива метана для повышения проницаемости угольного пласта и эффективности его последующей дегазации.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- анализом научно-технических материалов и литературных источников по известным способам борьбы с метаном в угольных шахтах, в частности, способам пластовой дегазации;

- преде 1ави1ельным объемом шахтных исследований и анализом горногеологических, горнотехнических условий и программы развития горных работ, оценкой эффективности способов пластовой дегазации, применяемых на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»;

- значительным объемом шахтных экспериментальных работ по определению основных свойств и характеристик углегазоносного массива;

- корректным использованием методов математической статистики при обработке результатов исследований.

Научное значение работы заключается в разработке усовершенствованных технологических схем пластовой дегазации и ее парамсфов па стадиях предварительной и заблаговременной дегазации па основе новых технических решений.

Практическая ценность работы состоит в разработке рабочей методики определения основных фильтрационных и газокинетических

11 свойств у] ольных пластов и технической документации на заблаговременную и предварительную дегазационную подготовку угольных пластов.

Реализация работы. Приняты к реализации «Технологическая часть проекта предварительной дегазации пласта «Болдыревский» из Iюдго'1 ови 1слы1ых выработок выемочного участка 2455 на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», «Технологическая часть проекта заблаговременной дегазационной подготовки пласта «Болдыревский» лавы 2460 па поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» и «Технологическая часть проекта заблаговременной дегазационной подготовки пласта «Поценовский» лавы 2596 на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», упюрждепныс техническим директором ОАО «СУЭК - Кузбасс». Испытана па шахте им. Кирова технология интенсификации газовыделения из подземных дегазационных скважии путем реверсивного автопневмовоздействия.

Апробации работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось в составе научно-технических отчетов в ОАО «СУЭК-Кузбасс» (2009-2011 гг.), на ежегодных научных симпозиумах «Неделя Горняка» (2010-2012 гг.), научно-практической конференции в г. Киселсвске (2008 г.), научном семинаре кафедры ИЗОС (2010-2012 гг.) и заседании кафедр «Аэрология и охрана труда» и «Инженерная защита окружающей среды» МГГУ (2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 7 печатных работах, в том числе из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК Мипобрнауки РФ.

Обьем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 23 таблиц, 36 рисунков, список литературы из 99 наименований.

Основные выводы по выполненным в диссертации исследованиям заключаются в следующем:

1. Разработана методическая документация по изучению свойств и состояния угольных пластов, в частности, рабочая методика проведения шахтного эксперимента по определению пластового давления, проницаемости и основных сорбционных характеристик разрабатываемого угольного пласта для выбора эффективных технологий пластовой дегазации и достоверной оценки предельно допустимых нагрузок на очистные забои по газовому фактору.

2. Установлен и обоснован механизм автопневмовоздействия на пласт из подготовительных горных выработок для повышения его газоотдачи, заключающийся в том, что при перекрытии дегазационной пластовой скважины нарастающее газовое давление в последней способствует реверсивному проникновению газа в пласт, повышению его газопроницаемости и эффективности последующей пластовой дегазации.

3. Разработана и утверждена методика реализации технологии интенсификации газовыделения из подземных дегазационных скважин путем автопневмовоздействия, предусматривающей периодическое закрытие подземных пластовых скважин до достижении давления газа в скважине уровня пластового давления и последующее открытие скважин для интенсивного извлечения метана.

4. Установлен и обоснован механизм гидроударного воздействия для совершенствования технологии пластовой дегазации неразгруженных от горного давления угольных пластов на стадии их предварительной (из горных выработок) и заблаговременной (скважинами с поверхности) гидрообработки, основывающейся на использовании энергии рабочей жидкости гидровоздействия при ее самоистечении.

5. Обоснованы параметры заблаговременной дегазационной подготовки газоносных угольных пластов скважинами с поверхности на основе циклического гидровоздействия, осуществляемого с использованием эффекта обратного гидроудара, в частности, обоснована частота перекрытия истекающего из скважины потока с помощью шарового клапана, а также технологическая последовательность операции, обеспечивающая достижения поставленных целей.

6. Научно обоснованы методологические подходы к выбору конкретной комплексной схемы пластовой дегазации, адекватной горногеологическим и горнотехническим условиям отработки угольного пласта, на основе текущего экспериментального определения пластового давления газа в последнем и основных сорбционных характеристик угля, позволяющих достоверно определять требуемую глубину дегазации.

7. Обоснован методический подход к выбору параметров заложения скважин заблаговременной дегазации с учетом планируемой нагрузки на очистной забой, а также обеспечения эффективного и безопасного проведения подготовительных горных работ.

8. Разработана, утверждена и принята к реализации основная технологическая документация на проведение предварительной пластовой дегазации из подземных выработок и заблаговременной дегазации выбросоопасного угольного пласта скважинами с поверхности с использованием эффекта обратного гидроудара: «Технологическая часть проекта предварительной дегазации пласта «Болдыревский» из подготовительных выработок выемочного участка 2455 на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», «Технологическая часть проекта заблаговременной дегазационной подготовки пласта «Болдыревский» лавы 2460 на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» и «Технологическая часть проекта заблаговременной дегазационной подготовки пласта «Поленовский» лавы 2596 на поле шахты им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», утвержденные техническим директором ОАО «СУЭК - Кузбасс».

Прогнозное извлечение метана из зон влияния скважин ГРП на момент отработки лав 2460 и 2596 планируется на уровне 5-7 м /т.

9. Дано технико-экономическое обоснование извлечения и использования метана на действующих шахтах. Рассмотрен методический подход к оценке экономической эффективности извлечения метана из угленосной толщи. Разработано технико-экономического обоснование работ по дегазации угольных пластов и подготовке выемочных участков к безопасной и эффективной отработке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой изложены научно-обоснованные технологические разработки, имеющие существенное значение для решения актуальной задачи интенсивной и безопасной отработки газоносных угольных пластов с применением усовершенствованных технологий пластовой дегазации на основе активных гидроударных воздействий на углегазоносную толщу на стадии заблаговременной и предварительной дегазации.

1. Пучков Л.А. Современные проблемы шахтного метанаУ/ Горный информационно-аналитический бюллетень. -М.; МГГУ, ИАЦ ГН, 1997.

2. Сластунов C.B., Презент Г.М., Швец И.А. Метанообильность угольных шахт как основная проблема угольного метана//Горный информационно-аналитический бюллетень .-М.: МГГУ, ИАЦ ГН, 1999, с.56-60.

3. Малышев Ю.М., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментальные и прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. -М.: Изд. Акад. горных наук, 2000,-519 с.

4. Айруни А.Т., Садчиков В.А. Перминов И.И. Комплексное освоение метаноносных угольных пластов Карагандинского бассейна. -М. : ЦНИЭИуголь, 1990, -31 с.

5. Саламатин А.Г. Подземная разработка мощных угольных пластов. -М.: Недра, 1997,-437 с.

6. Нефедов П.П., Красюк H.H. Интенсивное комплексное освоение газоносных угольных месторождений. -Караганда, 1996, -245 с.

7. Газоносность угольных месторождений СССР. (Под ред.А.И.Кравцова) Т. 1 -3. М.:Недра, 1979-1980, -1299с.

8. Эттингер И.Л., Лидин Г.Д. Влияние влажности на сорбцию метана каменными углями. -Изв. АН СССР. Отд.техн.наук, 1950, № 8, с. 1198 -1203.

9. Эттингер И.Л., Шульман Н.В. Распределение метана в порах ископаемых углей. -М.: Наука, 1975, 112 с.

10. Сагинов A.C. Проблемы разработки шахт Карагандинского бассейна.-Алма-Ата,: Наука, 19766 330 с.

11. П.Калиев С.Г. Преображенская Е.И. и др. Управление газовыделением на угольных шахтах. -М.: Недра, 1980, -196 с.

12. Тарасов Б.Г., Колмаков В.А. Газовый барьер угольных шахт. -М.: Недра,1878, 196 с.

13. Преображенская Е.И. Основные итоги предварительной дегазацииодиночного мощного пологопадающего пласта Верхняя Марианна и177дальнейшая перспектива развития дегазации/Научн.труды КНИУИ, вып.7, Гогортехиздат, 1963, с. 49 69.

14. Проектирование, монтаж и эксплуатация дегазационных участков (практическое пособие) Е.И.Преображенская и др .- М: Недра, 1966,- 128 с.

15. Мясников A.A., Рябченко A.C.,Садчиков В.А.Управление газовыделением при разработке угольных пластов.-М.:Недра, 1980, -374 с.

16. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений Дисс. докт. техн. наук .-М.: МГИ, 1971, 453 с.

17. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. -М.: Недра, 1979, 271 с.

18. Васючков Ю.Ф. Способы интенсификации извлечения метана из угольных пластов. -Обзор ЦНИЭИуголь, -М., 1981, вып.5, 34 с.

19. Сластунов C.B. Управление газодинамическим состоянием угольного пласта через скважины с поверхности. -М.: МГУ, 1991, -213 с.

20. A.c. СССР № 1548463. Способ дегазации угольного пласта/ Н.В.Ножкин, С.В.Сластунов, В.М.Карпов. Опубл. в БИ 1990 №91.

21. Сластунов С.В.Проблемы угольного метана и их технологические решения/Современные проблемы шахтного метана. -М.; МГГУ, 1999, с.50-61.

22. Пучков JI.A. Проблема метана в современном горном производстве/ Современные проблемы шахтного метана. -М.; МГГУ, 1999, -320 с.

23. Rice D.D. et al. Is "unconventional" gas a sustainable energy source ?// US Geol.Surv.Circ.-1995, №1108.-p.10-12.

24. Scott A.A. modified approach to extimating coal-gas resources: Example from the Sand Wash Basin, Colorado// AAPG Bull.-1995, -79, № 9, p.1330-1336.

25. Ржевский B.B., Бурчаков A.C., Ножкин Н.В. К вопросу о механизме внезапных выбросов угля и газа в шахтах// Уголь, 1976, №10, с. 13-19.

26. Ржевский В.В., Бурчаков A.C., Ножкин Н.В. О результатах заблаговременной дегазации гидрорасчленением пласта//Уголь, 1974, №7, с.51-54.

27. Ярунин С.А., Дмитриев A.M., Бухны Д.И. Управление газовым состоянием угольного пласта. -Обзор ЦНИЭИуголь .-М.: 1981, вып.5, 34 с.

28. A.c.СССР № 909212. Способ дегазации угольного пласта и предотвращения газодинамических явлений./ Ярунин С.А., Шарипов Н.Х., Шмидт М.В. и др. Опубл. в БИ № 8, 1982.

29. Васючков Ю.Ф. Физико-химические способы дегазации угольных пластов. -М.: Недра, 1986,-255 с.

30. Шевченко В.Ф., Атыгаев Р.К., Шмидт М.В. Эффективность использования комплексной схемы дегазации на шахтах Карагандинского бассейна/Научные труды КНИУИ. -Караганда, КНИУИ, 1985,с.101-106.

31. Шмидт М.В., Тонких В.И., Коликов К.С. Оценка эффективности гидрорасчленения мощных выбросоопасных пластов при их отработке с прямоточной схемой проветривания выемочного участка//Горный информационно-аналитический бюллетень. 2000, -С.231-233.

32. Шмидт М.В.,Тонких В.И.Опыт использования скважин гидрорасчленения для извлечения метана из выработанного пространства очистного забоя// Горный информационно-аналитический бюллетень. 2000, -С.215-216.

33. Сластунов C.B. Заблаговременная де дегазация и добыча метана из угольных месторождений. М., изд-во МГГУ, 1996.- 441 с.

34. Лидин Г.Д., Сергеев И.В., Забурдяев B.C. Расчет параметров дегазации разрабатываемых угольных пластов скважинами// Безопасность труда в промышленности. 1971. - № 3. - С. 33-36.

35. Теоретические и экспериментальные методы исследования газового состояния массива горных пород /И.В. Сергеев, Д.И. Бухны, А.Е. Фитерман. -М.: Наука, 1988.- 110 с.

36. Zabourdyaev, V.S. Methane Resources in Russian Deposits // International Coalbed Methane Opportunities in Russia and Ukraine. Birmingham, Alabama, May 17-18, 1993.-pp. 153-186.

37. Shatter R.J. Models of guasistatic and dynamic fluiddriven fracturing in jointed rocks. Numer.Meth.Fract.Mach.Proc.4th Conf.San-Antonio. Tex. 23-27. 1987.-p. 505-518.

38. Sing B.M., Danuluk H.T. Stress intensity factor for two rectengular cracks in three-dimensions Engineering Fructure Mechanics.Vol. 22, 3.-p.475-483.

39. Wisniowski A., Jaworek J. Zesk nauk PSI, 1980, N646,- p.87-96.

40. Pavlich 1.Р. Method of Hidrofrac, "Coal Age", N 4, 1980, p.23.

41. Burhaw l.K. Well fracturing method, "Coal Age", N 6, 1980,p. 17.

42. Kunskraa V.A., Boger C.M. Steps to Assecc Resourse Economics Covered "Oil am Gas Journal", 1989, Special, 31-34.44Joubut J.I., Grein C.I.,Brenstock D. Effect of moisture on the methane capacity of American coal. Fuel, 1974, vol .53, N З.р.р. 186-191.

43. M.: ОАО «Научно- технический центр по безопасности в промышленности», 2007. — 256 с.

44. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. — Макеевка—Донбасс, 1989. 320 с.

45. Методические основы проектирования дегазации на действующих и ликвидируемых шахтах / B.C. Забурдяев, А.Д. Рубан, Г.С. Забурдяев и др. — М.: ННЦ ГП ИГД им. A.A. Скочинского, 2002. — 316 с.

46. Метан в шахтах и рудниках России: прогноз, извлечение и использование / А.Д. Рубан, B.C. Забурдяев, Г.С. Забурдяев, Н.Г. Матвиенко. М.: ИПКОН РАН, 2006. - 312 с.

47. Рубан А.Д., Забурдяев Г. С., Забурдяев В. С. Геотехнологические проблемы разработки опасных по газу и пыли угольных пластов / Институт проблем комплексного освоения недр РАН. М.: Наука, 2007. - 279 с.

48. Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделением на угольных шахтах. — Люберцы: ННЦ ГП — ИГД им. A.A. Скочинского, 2000. — 116 с.

49. Проблемы разработки метаноносных угольных пластов в Кузнецком угольном бассейне. — М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. — 463 с.

50. Метод определения допустимой скорости проведения подготовительных выработок по газовому фактору// Труды 6-й Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». — Воркута, 2008. С. 196-198.

51. Рубан АД., Забурдяев B.C. Метод определения нижнего предела метаноносности подвергаемого дегазации угольного пласта // Труды 5-й Межрегиональной научно-практической конференции (Воркута, 11—13 апреля 2007 г.). — Воркута. — Т. 1.2007.-С. 195-198.

52. Пучков Л. А., Сластунов C.B. Эффективное решение проблемы метанобезопасности угольных шахт России — безотлагательная задача сегодняшнего дня // Уголь. — 2006. — № 12. С. 24-28.

53. Веселов А.П., Колесников Ю.М. и др. Утилизация метана на шахтах Воркуты// Безопасность труда в промышленности.-1996.- № 8. -С. 37—38.

54. Подготовка и разработка высокогазоносных угольных пластов /Рубан А.Д., Артемьев В.Б., Забурдяев B.C. и др./ М., «Горная книга», 2010, -500 с.

55. Концепция обеспечения метанобезопасности угольных шахт России на 2006-2010 гг./ Пучков Л.А., Сластунов C.B., Каледина Н.О. и др. М., изд-во МГГУ, 2006.- 18 с.

56. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. М., Недра, 1979 (монография).- 271 с.

57. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. -Дисс. докт. техн. наук. -М.: МГИ, 1971. 453 с.

58. Ржевский В.В., Братченко Б.Ф., Бурчаков A.C., Ножкин Н.В. Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах. -М.: Недра, 1984, -327 с.

59. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. М., Недра, 1979 (монография).- 271 с.

60. Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах. (Ржевский В.В., Братченко Б.Ф., Бурчаков

61. A.C., Ножкин Н.В.), М., Недра, 1984,- 327 с.

62. Сластунов C.B. Заблаговременная де дегазация и добыча метана из угольных месторождений. М., изд-во МГГУ, 1996.- 441 с.

63. Пучков Л.А., Сластунов C.B., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. М., изд-во МГГУ, 2002. 383 с.

64. Инстукция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа /КазНИИБГП, Караганда:ДНТИ ГП «Карагандауголь», 1995, -177 с.

65. Чернов О.И. Прогноз внезапных выбросов угля и газа. /О.И.Чернов,

66. B.Н.Пузырев. М., Недра, 1979, -296 с.

67. Эттингер И.Л. Диффузионно-кинетическая классификация пустот в ископаемых углях /И.Л.Эттингер, И.В.Еремин// Химия твердого топлива, 1973, №1, -С.57-61.

68. Дмитриев A.M. Сорбционная метаноемкость углей в зависимости от природной влажности /А.М.Дмитриев, Т.И.Минаева//Вопросы вентиляции и борьбы с газом: сб.ст. 1968. М.

69. Эттингер И.Л. Свойства углей, влияющих на безопасность труда в шахтах. М., Госгортехнадзор. 1961.

70. Фоминых Е.И. Влияние влажности угля на начальную скорость газоотдачи. Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело: сб.ст. М., Недра, 1973, №7.

71. Ходот В.В. Признаки выбросоопасности угольных пластов Донбасса. Рудничная аэрология: сб.ст. М., АН СССР, 1962.

72. Черных В.А. Гидрогеомеханика нефтегазодобычи. Москва, 2001. Отпечатано на ротапринте ВНИИГАЗа, С.161-168.

73. Патент РФ №2054121 по классу Е 21 F 7/00 от 29.04.92, БИ №4 от 10.02.96.

74. Лурье А.И. Теория упругости. -М.: Наука. 1970. с.303-305

75. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. -М.: Изд-во МГГУ. 1995. -441с.

76. Киселев П.Г. Гидравлика: Основы механики жидкости. Учеб.пособие для вузов. М.: Энергия, 1980.- 360с.

77. Методика определения параметров гидрорасчленения угольных пластов при разработке проекта для условий Карагандинского бассейна. Караганда-Москва, 1986, 22 с.

78. Временное руководство по заблаговременной подготовке шахтных полей к эффективной разработке скважинами . с поверхности с пневмо-гидровоздействием на свиту угольных пластов. М., МГИ, - 1991, - 92с.

79. Васючков Ю.Ф. К методике определения параметров процесса гидрорасчленения пласта для его дегазации// ГИАБ, ОВ «Метан», 2006 С. 257-267.

80. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Ко ликов К. С. Методика расчета допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору. Сб. научн. трудов по материалам симпозиума "Неделя горняка-2009". М. Изд.МГГУ, 2009. С. 151-159.

81. Киселев П.Г. Гидравлика: Основы механики жидкости. Учеб.пособие для вузов. М.: Энергия, 1980.-360с.

82. Методика определения параметров гидрорасчленения угольных пластов при разработке проекта для условий Карагандинского бассейна. Караганда-Москва, 1986, 22 с.

83. Временное руководство по заблаговременной подготовке шахтных полей к эффективной разработке скважинами с поверхности с пневмогидровоздействием на свиту угольных пластов. М.: МГИ, 1991, 92 с.

84. Сластунов С.В. Управление газодинамическим состоянием угольного пласта через скважины с поверхности. М.: МГИ, 1991, 213 с.

85. ИвановБ.М.,ФейтГ.Н.,ЯновскаяМ.Ф.Механические и физико-механические свойства углей выбросоопасных пластов. М.: Наука, 1979.-195с.

86. Сластунов C.B., Каркашадзе Г.Г., Лупий Г.М. Влияние газоносности, горного давления и пластов ого давления метана на выбросоопасность угольного пласта// ГИАБ, отдельный выпуск 11, «Метан», 2009.

87. Тонких В.И. Снижение выбросоопасности и газоносности угольных пластов на основе заблаговременной дегазации. Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н по специальности 05.26.03 -«Пожарная и промышленная безопасность». М., МГГУ, 2002.

88. Савенко Л.В., Шальнов H.A., Ножкин Н.В. и др. Дегазация с гидравлическим расчленением свиты пластов в условиях Донбасса//Уголь, 1969, №4,5, С. 65-68.

89. Саламатин А.Г., Забурдяев B.C. Управление газовыделением/Подземная разработка мощных пологих угольных пластов. М.:Недра, 1997. — С. 20—33.

90. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф. Об измерении давления газа в угольных пластах. Академия наук СССР. Сибирское отделение// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. Механика горных пород и горное давление. 1988. №3, -С.3-23.