За последние 20 лет основным добывающим регионом России является Кузнецкий угольный бассейн, обеспечивающий более 60 % всей угледобычи в целом, в том числе до 80 % коксующихся марок. В связи с этим добыча угля в Кузбассе ежегодно увеличивается: в 2011 году – 201 млн тонн, в 2012 году – 203 млн тонн, в 2014 году – 211 млн тонн, к 2030 году планируется довести добычу до 270 млн тонн. Современные темпы ведения очистных работ неизбежно сопряжены с ростом потенциальной опасности повышенного газовыделения в горные выработки шахт, а, следовательно, и возможностью взрывов шахтной атмосферы, приводящим, как правило, к групповым несчастным случаям со смертельным исходом с количеством пострадавших, достигающего десятков человек.
В течение длительного времени основным средством обеспечения нормальной газовой обстановки в шахтах являлась вентиляция, позволившая поддерживать концентрацию метана в пределах норм, установленных Правилами безопасности в угольных шахтах [1]. Однако с течением времени по мере увеличения глубины горных работ расчетные объемы количества воздуха, подаваемого в шахту, достигли таких пределов, при которых вентиляция в основном исчерпала свои возможности и в дальнейшем не может обеспечить уверенное управление газовыделением в шахтах.
В связи с этим единственным реальным путем решения данной проблемы является предварительная дегазация угольных пластов до начала их разработки, что позволяет искусственным путем снизить их природную газоносность до заданных значений, а, следовательно, и уменьшить расчетное количество воздуха для проветривания шахт. Следует заметить, что в настоящее время предварительная дегазация угольных пластов является обязательной, без которой не выдается лицензия на разработку угольных месторождений [2].
Проектирование дегазации угольных пластов является достаточно сложной процедурой, связанной с обработкой большого объема исходных материалов о геологическом строении: условиях залегания, мощности, природной газоносности, газопроницаемости и других параметрах угольного месторождения, с учетом которых принимается решение о схеме бурения скважин и их количестве. Главным фактором при проектировании дегазации, является дебит газа в отдельную скважину как функция ее длины и времени функционирования от начала бурения до отключения от магистральной сети [3].
Процесс фильтрации газа с внутренней поверхности скважины начинается сразу после внедрения бурового става в массив и зависит от изменения его газоносности в направлении движения бурового инструмента, скорости бурения и общей длины скважины. По мере углубления забоя скважины в угольный пласт происходит образование цилиндрической поверхности, через которую начинается фильтрация метана со скоростью, определяемой градиентом давления в прискважинной зоне. Учитывая, что давление в скважине практически равно атмосферному или давлению в выработке, из которой она бурится, а в массиве оно в разы больше и растет по мере внедрения скважины в пласт, на основании известного закона Дарси можем рассчитать скорость фильтрации газа в скважину, а, следовательно, и ее дебит [4].
Из формулы (1) видно, что по мере увеличения глубины скважины реально будет расти только градиент давления до тех пор, пока скважина не войдет в зону установившейся природной газоносности, а, следовательно, и газового давления. При детальном рассмотрении процесса газоотдачи с отдельных отрезков скважины в процессе ее бурения также можно видеть, что по мере углубления в массив начальное газовыделение с каждого отрезка увеличивается, после чего начинается его медленное снижение (рис. 1). На рис. 1 кривые, исходящие из точек 1, 2, 3…i характеризуют динамику изменения газовыделения во времени. Абсцисса точки А соответствует моменту окончания бурения, после чего режим фильтрации газа со всех отрезков становится затухающим.
Общее газовыделение из скважины будет складываться как сумма объемов газа, поступающего из отдельных отрезков путем частичного сложения их ординат. Из рисунка видно, что, к примеру, в точке 3 кривой, характеризующей рост начальной газоотдачи с каждого отрезка скважины по мере его удаления от ее устья в глубь массива, дебит газа будет являться суммой ординат точек и , так как на предыдущих отрезках 1 и 2 продолжается газовыделение в затухающем режиме. Аналогичные выводы можно сделать для любого другого участка скважины кроме первого.
Рис. Газоотдача разных отрезков скважины в процессе ее бурения
и по его окончании
После точки А все семейство кривых имеет тенденцию к снижению, темп которого можно определять экспериментально, для чего необходимо обработать результаты замеров дебита скважины в период ее работы под вакуумом в течение некоторого времени, при этом принцип сложения ординат единичных отрезков сохраняется. Объем газа, выделившегося на этом этапе работы скважины, по аналогии с этапом бурения будет аппроксимирован площадью фигуры ВАСД или Q2.
Если принять характер изменения дебита газа в скважину во времени экспоненциальным, то уравнение, характеризующее процесс газоотдачи угольного пласта с момента обнажения i-го участка скважины, будет иметь вид
В зависимости от соотношения отрезков времени, затраченных на бурение и на последующую работу скважины под вакуумом, будут формироваться и объемы метана, выделившегося на этих этапах. Это особенно важно для длинных скважин более 200 м, так как в процессе их бурения идет интенсивное газовыделение из пласта, которое может достигать до 25-30% от общего дебита скважины за весь период ее функционирования, что, безусловно, необходимо учитывать в расчетах эффективности дегазации [5].
Данный подход приобретает особую актуальность в связи с тем, что в последние годы в Кузбассе получен первый опыт бурения скважин длиной до 1000 м станками направленного бурения (шахты им. С.М. Кирова, «Костромовская», СУЭК-Кузбасс), что соответствует современным тенденциям мировой практики передовых угледобывающих стран.
В связи с этим более детальный подход к расчету дебита каптируемого метана повышает точность прогноза ожидаемой газообильности очистных и подготовительных забоев шахт и, в конечном счете, обеспечивает более безопасный уровень шахтной атмосферы при подземной добыче угля.
Список литературы:
- Правила безопасности в угольных шахтах – Серия 05. Вып. 40. – М. – ЗАО НТЦ исследований проблем промышленной безопасности. – 2014. – 2000.
- Федеральный закон № 186 ФЗ «О внесении изменений в статьи 1 и 14 Федерального закона» «О государственном регулировании в области добычи и использования угля, об особенностях социальной защиты работников организаций угольной промышленности и отдельные законодательные акты Российской Федерации».
- Каледина Н. О., Карпухин А. В. Проблемы управления метановыделением на высокопроизводительных газообильных шахтах. / Горный информационно-аналитический бюллетень. – Москва. – МГГУ. – Вып. 13. – 2007. – С. 216-221.
- Ливинская С. Н. Влияние режима бурения на газовыделения в скважины большой длины. / С. Н. Ливинская, Л. А. Шевченко // Материалы XV Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». – Кемерово. – КузГТУ. – 2014. –
С. 76-80 - Ткаченко Д. А. Дегазация пласта 7-7а на шахте «Распадская» / Д. А. Ткаченко, Л. А. Шевченко. Сб. научн. тр. Вопросы охраны труда и промышленной безопасности. – Кемерово. – 2014. – КузГТУ. С. 54-58.[schema type=»book» name=» К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ТОЧНОСТИ РАСЧЕТА ДЕБИТА МЕТАНА ИЗ ДЕГАЗАЦИОННЫХ СКВАЖИН» description=»Рассматриваются процессы газоотдачи в скважину из угольного массива как в процессе ее бурения, так и в процессе работы под вакуумом. Производится детализация этих процессов по каждому отрезку скважины, и даются формулы по определению суммарных значений объемов извлекаемого метана за весь период работы скважины.» author=»Шевченко Леонид Андреевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-24″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_25.07.15_07(16)» ebook=»yes» ]