ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Современное состояние подземной разработки угольных месторождений характеризуется увеличением глубины разработки и ухудшением природных и горнотехнических условий горных работ, в частности, увеличением газообильности горных выработок вследствие роста природной газоносности пластов и вмещающих пород, которая на глубинах 700-1000 м достигает 25-30 м3/т. Метан, выделяющийся в горные выработки, сдерживает добычу угля, повышает его себестоимость, ухудшает комфортность и безопасность труда шахтеров, а вынос метана на поверхность приводит к негативным экологическим последствиям. Этот метан при разработке месторождений извлекается на поверхность как с вентиляционной струей, так и различными способами дегазации, утилизируется же лишь незначительная его часть. В зависимости от применяемого способа дегазации (подземная, скважинами, пробуренными с поверхности в неразгруженный массив, в выработанное пространство и др.), а также времени ее осуществления (заблаговременно до начала горных работ, в процессе их ведения или из выработанного пространства) концентрация метана в извлекаемой газовоздушной смеси изменяется в широком диапазоне от единиц до десятков процентов при резком колебании дебитов.
Извлечь газ из неразгруженного массива можно только после изменения его свойств и состояния путем активных (силовых) воздействий, выбор которых определяется горно-геологическими и горнотехническими условиями.
Основой для таких воздействий является способ гидрорасчленения угольных пластов через скважины, пробуренные с поверхности. При гидрорасчленении угольных пластов и вмещающих пород ставятся задачи интенсификации извлечения метана из пласта, управления его напряженным состоянием за счет изменения физико-механических свойств, а также повышения глубины дегазации. Проведенные исследования показали, что обобщенной характеристикой газодинамического и напряженного состояния угольных
8
пластов может служить их проницаемость. На величину проницаемости определяющее влияние оказывают как природные, так и горнотехнические факторы. Проницаемость угленосной толщи можно повысить путем нагнетания в нее под давлением воды, которая раскрывает естественные трещины пласта. Дополнительно повысить проницаемость угленосного массива можно путем растворения минеральной составляющей угля и связующего цемента вмещающих пород. Для этого в угольный пласт закачивают растворы химически- и поверхностно-активных веществ.
Разработка угольных месторождений в современных условиях выдвигает необходимость новых решений ряда проблем по обеспечению безопасности эксплуатации шахт, комплексного освоения минеральных ресурсов и защиты окружающей среды. К таким проблемам относится и проблема утилизации шахтного метана, извлекаемого на поверхность различными способами дегазации, а также выносимого вентиляционной воздушной струей.
В составе газа,, извлекаемого из дегазационных скважин (подземных или скважин, пробуренных с поверхности), содержание метана колеблется от 2 до 70 - 95 %. Дебиты газа также изменяются в широком диапазоне. Вследствие таких больших колебаний затруднено его широкое использование. В связи с этим встает задача найти такой способ утилизации шахтного газа, для которого компонентный состав газа не был бы жестким условием. Таким способом на наш взгляд является перевод шахтного газа в гидратное состояние. По гидратной технологии можно переводить в гидрат различные газы, в том числе и их смеси, при этом будут меняться только равновесные условия гидратообразования. При использовании в качестве газа-гидратообразователя шахтной метановоздушной смеси и использовании шахтной воды можно в едином технологическом процессе осуществить утилизацию шахтного газа и опреснение шахтной воды с получением в качестве готовых продуктов чистого метана, пресной воды и сухих солей. Это позволит получить новые полезные продукты, осуществить комплексное
9
освоение ресурсов угольного месторождения и существенно снизить вредное воздействие, оказываемое горным предприятием на окружающую среду.
В связи с вышеизложенным проблема повышения безопасности горных работ на базе эффективной дегазации, достигаемой за счет управления газодинамическим состоянием углепородного массива на основе разработки технологических решений по повышению его газоотдачи путем изменения коллекторских свойств, а также проблема утилизации шахтного метана на основе разработки технологических решений на базе газогидратных процессов, позволяющих осуществить комплексное освоение угольных месторождений и повысить экологическую чистоту горного предприятия, являются актуальными, имеющими важное народнохозяйственное значение.
Целью работы является установление закономерностей изменения газодинамического состояния газоносного углепородного массива для разработки технологических решений по повышению безопасности горных работ и утилизации шахтного метана на основе газогидратных процессов.
Основная идея работы заключается в возможности изменения коллекторских, сорбционных и деформационных характеристик угольного пласта за счет использования эффекта растворения минеральной составляющей угля и связующего цемента песчаника при нагнетании в углепородный массив водных растворов химически- и поверхностно-активных веществ.
Методы исследования. В процессе проведенных исследований использовались анализ литературных и фондовых материалов, аналитические методы исследования газодинамики, механики сплошной среды, методы математической статистики, лабораторные и шахтные эксперименты.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
• оптимальные параметры гидродинамической обработки пласта, форма и размеры зоны гидродинамического воздействия определяются с учетом анизотропии фильтрационных характеристик угольного пласта;
10
• обоснование выбора водных растворов комплексонов в качестве рабочих жидкостей гидрорасчленения для повышения проницаемости угольных пластов и вмещающих пород базируется на возможности растворения большего числа минеральных компонент, что обеспечивает значительное повышение газоотдачи массива, а также снижение зольности угля;
• закономерности изменения фильтрационных, сорбционных и деформационных характеристик угля и горных пород определяются видом и концентрацией химически- и поверхностно-активных веществ, включаемых в состав рабочей жидкости при гидродинамической обработке массива, а также временем их воздействия на него;
• методология конструирования технологических схем дегазации угленосной толщи базируется на учете источников газовыделения (рабочий пласт, вмещающие породы, пласты-спутники) и видов активных воздействий в различных горно-геологических условиях, позволяет повысить безопасность горных работ на основе комплексного управления газодинамическим состоянием массива;
• обоснование диапазона равновесных условий гидратообразования (давлений и температур) для реализации процесса перевода шахтного метана в гидратное состояние базируется на учете состава метановоздушной смеси, констант равновесия, что позволяет повысить эффективность утилизации шахтного газа;
• обоснование газогидратной технологии базируется на применении шахтного газа в качестве газа-гидратообразователя и шахтной воды, позволяет в едином технологическом процессе осуществить утилизацию шахтного газа и деминерализацию шахтной воды с получением в качестве готовых продуктов чистого метана, пресной воды, сухих солей, что обеспечивает комплексность использования минеральных ресурсов и повышение экологической чистоты горного предприятия;
11
• обоснование технологических решений по извлечению метана из вентиляционных струй шахт базируется на комплексном использовании сорбционных и кристаллизационных процессов, что позволяет осуществить утилизацию метана в промышленных масштабах.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований коллекторских, сорбционных и деформационных характеристик угля и породы с лабораторными исследованиями и натурными экспериментами (расхождение не более 10-15%);
удовлетворительной сходимостью расчетных и практических значений давлений и температур газогидратного процесса (расхождение 8-12%);
представительным объемом лабораторных исследований по определению фильтрационных характеристик угольных пластов;
практической реализацией разработанных технологических решений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлены рациональные параметры гидродинамической обработки угольного пласта, а также форма и размеры зоны гидродинамического воздействия;
установлены закономерности изменения фильтрационных, сорбционных и деформационных характеристик угольных пластов при нагнетании в них водных растворов комплексонов, определены оптимальные концентрации растворов и время их воздействия;
обоснованы и разработаны основные параметры технологических схем гидродинамического воздействия на угленосную толщу для различных горно-геологических условий, обеспечивающие комплексное управление ее газодинамическим состоянием;
обоснованы научные принципы и определены оптимальные параметры процесса гидратообразования с использованием в качестве газа-гидратообразователя шахтного газа с различным содержанием в нем метана;
12
обоснованы и разработаны основные параметры технологической схемы перевода шахтного газа в гидратное состояние с использованием шахтной воды, позволяющие в качестве готовых продуктов получать чистый метан, пресную воду, сухие соли;
обоснованы и разработаны основные параметры технологической схемы извлечения метана из вентиляционных шахтных струй с использованием комбинирования сорбционных и кристаллизационных процессов.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей изменения фильтрационных, сорбционных и деформационных характеристик угля и породы, обработанных водными растворами химически- и поверхностно-активных веществ, для разработки технологических решений по комплексному управлению газодинамическим состоянием углепородного массива, позволяющих повысить безопасность разработки угольного месторождения, а также в разработке научных принципов и технологических решений по переводу шахтного газа в гидратное состояние, позволяющих повысить эффективность утилизации шахтного метана.
Практическое значение работы:
разработана технологическая документация и апробирован в натурных условиях способ гидродинамического воздействия на угольный пласт с использованием в качестве рабочей жидкости водных растворов комплексонов, позволивший увеличить проницаемость пласта, изменить его деформационные характеристики и снизить газодинамическую активность;
разработана технологическая документация и апробирован способ многостадийного воздействия на угленосную толщу для угольных пластов с малоустойчивыми, водопроницаемыми породами кровли, позволивший осуществить эффективную гидродинамическую обработку пласта, а также других источников газовыделения и обеспечить эффективное извлечение метана и безопасность ведения горных работ;
13
разработана основная техническая документация и апробирована технологическая схема утилизации шахтного метана путем перевода его в гидратное состояние;
разработаны рекомендации по конструированию технологической схемы извлечения метана из вентиляционных струй шахт на основе комплексного использования сорбционных и кристаллизационных процессов.
Реализация результатов работы.
Расчетные формулы по оценке формы и размеров зон гидродинамического воздействия с учетом анизотропии фильтрационных свойств угольных пластов вошли в «Руководство по дегазации угольных шахт России», (Люберцы.: ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского, 2002);
Полученные значения оптимальных концентраций растворов комплексонов для обработки углей марок «ОС», «Ж», «Т», «А» вошли в «Руководство по дегазации угольных шахт России» (Люберцы.: ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского, 2002);
Технология многостадийного воздействия на угленосную толщу для угольных пластов с малоустойчивыми водопроницаемыми породами кровли с цементацией ее перед или в процессе гидродинамической обработки вошла в проект по заблаговременной подготовке 5-й западной лавы пласта п'б шахты им. А.А.Скочинского и реализована.
Способ гидродинамического воздействия на угольный пласт с использованием в качестве рабочей жидкости водных растворов комплексонов вошел в технологический проект на обработку пласта Г8 3-й панельной лавы шахты им. 9-й Пятилетки и реализован.
Основные элементы технологической схемы перевода шахтного газа в гидратное состояние прошли испытания на полях шахт им. М.И.Калинина и им. А.Ф.Засядько.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Международном симпозиуме "Нетрадиционные
14
источники углеводородного сырья и проблемы его освоения (С.-Петербург, 1992); научных симпозиумах "Неделя горняка" (1997-2005); международной научно-практической конференции "Среда, технология, ресурсы" (Латвия, г. Резекне, 1997); международной конференции «UNIVERSITARIA ROPET 2000», (Румыния, Petrosani, 2000); демонстрировались на: 50-м юбилейном салоне инноваций, научных исследований и новых технологий «Брюссель-Эврика-2001» (Брюссель, Бельгия, 2001); 93-м Международном салоне изобретений «Конкурс Лепин» (Париж, Франция, 2002); международной научно-практической конференции и выставке-ярмарке «Экспо-уголь» (Кемерово, 2003, 2004, 2005), научных семинарах кафедр ИЗОС и АОТ МГТУ.
В диссертации изложены результаты научных исследований, выполненных под руководством или при непосредственном участии автора в 1984-2005 годах. В исследованиях на различных этапах принимали участие сотрудники кафедр «Подземная разработка пластовых месторождений», «Инженерная защита окружающей среды», «Аэрология и охрана труда», лабораторий МакНИИ и КНИУИ, работники шахт и угольных компаний отрасли, которым автор выражает искреннюю благодарность за ценные научные консультации и помощь в работе.
15 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Анализ способов дегазации угленосной толщи
В нашей стране при разработке угольных пластов с высокой газообильностью горных выработок применяются почти все известные в мировой практике способы дегазации разрабатываемых пластов, сближенных пластов и пропластков и выработанного пространства, в том числе:
¦ предварительная дегазация разрабатываемых угольных пластов скважинами, пробуренными из горных выработок по пласту или вкрест простирания пород;
¦ дегазация разрабатываемых пластов скважинами, пробуренными по пласту из горных выработок впереди очистного забоя;
¦ дегазация подрабатываемых сближенных пластов скважинами, пробуренными на дегазируемые пласты из горных выработок или с поверхности;
¦ дегазация надрабатываемых сближенных пластов скважинами, пробуренными из горных выработок по дегазируемому пласту или вкрест простирания пород;
¦ предварительная дегазация разрабатываемых угольных пластов и вмещающего горного массива через скважины, пробуренные с поверхности с предварительными силовыми воздействиями на углепородный массив;
¦ дегазация выработанных пространств скважинами, пробуренными из горных выработок или с поверхности с отводом метана по трубам, введенным в выработанное пространство через перемычки.
Впервые дегазация была осуществлена в СССР на шахте "Северная" Кузнецкого бассейна в 1951 г.
Состояние отработки высокогазоносных угольных пластов характеризуется значительными ухудшениями технико-экономических показателей работы очистных и подготовительных забоев.
16
Это связано с тем, что резервы вентиляции на большинстве действующих шахт исчерпаны, а существующие способы дегазации имеют вполне конкретные и в их рамках ограниченные по эффективности условия применения.
Существующие способы дегазации можно классифицировать следующим образом:
• по объекту дегазации или источнику метановыделения - извлечение метана из разрабатываемых пластов, смежных с разрабатываемым пластов и выработанных пространств;
• по технологическому назначению - для ведения горных работ в очистных или в подготовительных выработках;
• по времени дегазации - заблаговременная (более 2 лет), предварительная (от 0,1 до 2 лет), совместная (менее 0,1 года);
• по расположению дегазационных скважин в пространстве: использование пластовых скважин, которые находятся в пределах угольного пласта; использование пересекающих скважин, которые бурятся под углом к плоскости напластования пород и выходят за пределы одного пласта или слоя породы; использование слоевых скважин, которые бурятся в пределах одного слоя породы;
• по используемым схемам дегазации - индивидуальные, использующие какой-либо один способ дегазации, и комплексные, использующие несколько способов на одном участке пласта;
• по степени управления состоянием массива горных пород: пассивные, активные и комбинированные;
• по углу наклона дегазационных скважин к горизонту: вертикальные, наклонные, горизонтальные.
Широкое внедрение различных способов дегазации шахт вызвано, во-первых, потребностью в обеспечении высокого уровня безопасности труда в опасных по выделению метана шахтах и, во-вторых, необходимостью обеспечения больших скоростей проведения подготовительных выработок и
17
высоких нагрузок на очистной забой по газовому фактору. Это позволяет экономически более эффективно использовать современные проходческие комбайны и добычные комплексы, а также получать дополнительное, попутно добываемое газообразное топливо.
При дегазации угольных пластов через скважины, пробуренные с поверхности, различают две основные группы способов: пассивные, основанные на вакуумировании газа из трещинно-парового объема через скважины, изменяющие только газовое состояние подработанного массива, и активные: изменяющие как газовое состояние, так и газо-гидродинамические свойства угольного массива, и способствующие интенсификации дегазации [49, 55]. Они могут быть разделены по времени воздействия относительно начала ведения горных работ и по виду воздействия на пласт.
Предпочтение при разработке способов заблаговременной подготовки пологопадающих газовыбросоопасных угольных пластов следует отдать схемам, с использованием скважин, пробуренных с поверхности. Основное преимущество таких схем - полное разделение во времени и пространстве выполнения профилактических и горных работ при обеспечении надежной безопасности не только в очистных но и в подготовительных забоях [12,41].
В этом случае возможно применение одного из методов активного воздействия на угольную толщу [43, 127]:
• гидрорасчленения угленосной толщи;
• акустическое воздействие;
• физико-химического воздействия на угольные пласты растворами полимеров и мономеров;
• микробиологического воздействия на угольные пласты;
• многостадийного воздействия на угленосную толщу [12, 41, 127, 135, 140].
Для обеспечения эффективной дегазации низкопроницаемых угольных пластов, особенно залегающих на глубинах более 600м были разработаны и апробированы ряд принципиально новых воздействий [141]:

Получить работу