Фізико-технічні основи комплексної дегазації і використання метану вугільних шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фізико-технічні основи комплексної дегазації і використання метану вугільних шахт

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Майже у всіх вуглевидобувних регіонах світу актуальною є проблема газу метану вугільних родовищ, яка включає три основні аспекти: забезпечення безпеки ведення гірничих робіт; видобуток шахтного газу метану як вуглеводневої сировини; зниження шкідливих викидів шахтного метану в атмосферу і поліпшення екологічних умов у вуглевидобувних регіонах.

На відміну від природних родовищ газу, значна частина метану вугільних родовищ знаходиться в практично непроникних породах і вугіллі, а його добування можливе лише за умови збільшення проникності вуглепородного масиву за рахунок його підробки чи шляхом гідророзриву, або інших способів розущільнення.

Аналіз раніше проведених робіт і діючих у вугільній галузі України нормативних документів показав, що при виконанні дегазаційних заходів основна увага приділяється дегазації вугільних пластів і пластів супутників, не враховується характеристика сучасного поля напружень вуглепородного масиву, що істотно впливає на зміну проникності порід, а при розробці технологічних схем використання шахтного метану не враховується, що концентрації і об'єми каптування метаноповітряної суміші при різних способах дегазації вуглепородного масиву, різні.

Відсутність фізико-технічних основ комплексної дегазації і використання шахтного газу метану стримує розвиток робіт по дегазації вуглепородного масиву, що не сприяє підвищенню безпеки ведення гірничих робіт, перешкоджає каптуванню метаноповітряної суміші, за якістю і в кількостях, придатних для її переробки в електроенергію і тепло і, як наслідок, не сприяє запобіганню забруднення атмосфери за рахунок викидів метану.

У зв'язку з цим, розробка фізико-технічних основ комплексної дегазації, з урахуванням зміни проникності підробленого вуглепородного масиву в сучасному полі напружень і використання метаноповітряної суміші, концентрація метану і об'єми каптування якої залежать від застосованих способів дегазації, є актуальною науковою проблемою, яка має важливе значення для вугільної галузі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до тематики Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України в рамках держбюджетної теми №III-36-07 «Механіка газонасиченого масиву гірських порід, прогресивні технико-технологічні вирішення підземного видобутку вугілля» (№ держреєстрації 0107U002004) і теми №17050707000/1 (586) «Розробити методи оцінки ефективності способу випереджаючої дегазації порід покрівлі високонавантажених лав і взяти участь в підготовці правил їх використання», яка виконувалася за замовленням Міністерства вугільної промисловості України, де автор був виконавцем.

Ідея роботи полягає у використанні особливостей впливу напружено-деформованого стану вуглепородного масиву на газопроникність порід покрівлі пласта, який розробляється, що характеризують процеси фільтрації метану та визначають параметри комплексної дегазації вуглепородного масиву, застосування якої дозволяє добувати газ придатний для переробки в теплову і електричну енергію.

Метою роботи є розробка фізико-технічних основ комплексної дегазації вуглепородного масиву і ефективного використання метану вугільних шахт шляхом його переробки в теплову і електричну енергію для підвищення економічної ефективності та екологічної захищеності виробничої діяльності вугільних шахт.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані наступні завдання:

1. Вивчити фільтраційні властивості і оцінити закономірності впливу ступеню різнокомпонентності напружено-деформованого стану вуглепородного масиву на газопроникність порід, які характеризують процеси дренування метану і визначають параметри дегазації;

2. Вивчити процеси розподілу метану в вуглепородному масиві діючої шахти з урахуванням чиннику стабілізації деформаційних процесів на межі підробленого і незайманого масивів гірських порід та залежності дебіту дегазаційних свердловин від характеристик геологічного об'єкту дегазації;

3. З урахуванням закономірностей впливу напружено-деформованого стану порід покрівлі вугільного пласта на їх газопроникність, розробити фізико-технічні основи проведення комплексної дегазації на вугільних шахтах, що дозволить використовувати метаноповітряну суміш, добуту різними способами дегазації і з різною концентрацією метану для вироблення електроенергії і тепла в промислових обсягах;

4. Розробити принципи організації використання метану на вугільних шахтах та дати обґрунтування схемних рішень структури і раціональних режимів роботи енергокомплексів при різних концентраціях метаноповітряної суміші;

5. Виконати промислову перевірку енергоефективного комплексу дегазації і використання шахтного газу метану.

Об'єкт дослідження - процеси газовиділення, що протікають при підземному видобутку вугілля в умовах підвищеної газовості вугільних шахт.

Предмет дослідження - способи управління нестаціонарним процесом метановиділення підчас комплексної дегазації шахт і ефективної энергопереробки добутого газу.

Методи дослідження. У роботі використаний комплексний метод досліджень, що включає: аналіз і узагальнення відомих положень з даної проблеми; теоретичні дослідження з використанням методів імітаційного моделювання газодинаміки виїмкових ділянок, оптимізації газодинамічних параметрів, шахтні експериментальні дослідження нестаціонарного газовиділення і динаміки схем провітрювання високонавантажених лав, які ведуть роздільно видобуток вугілля і метану, емпіріоаналітичні методи вивчення процесів енергопереробки метану в теплову і електричну енергію.

Наукові положення, винесені на захист.

1. Фільтраційна система напруженого газонасиченого середовища характеризується просторовою орієнтацією головних компонент діючого поля напружень. При трансформації рівнокомпонентного напруженого стану гірських порід в різнокомпонентний газова проникність зростає із збільшенням ступеню різнокомпонентності головних напружень, ортогонально яких рухається потік газу, що фільтрується, тому повздовжня вісь дегазаційної свердловини орієнтується перпендикулярно площині дії максимальної і мінімальної складових діючого поля напружень.

2. Дебіт свердловини випереджаючої дегазації прямо пропорційно залежить від глибини ведення гірничих робіт, потужності геологічного об'єкту дегазації і його проникності, що обумовлено стабілізацією деформаційних процесів на межі підробленого і незайманого масивів гірських порід, а ефективність її роботи визначається відношенням об'єму добутого метану до розрахункової кількості його добувних запасів в геологічному об'єкті на ділянці, що дегазується цією свердловиною.

3. У шахтних енергокомплексах з газопоршневою когенерацією для збереження постійної потужності зі збільшенням концентрації метану в низькопотенціальній частині метаноповітряної суміші (МПС), яка подається по каналу повітряного дуття газопоршньової установки, від нуля до максимально допустимого значення ( 2,5%), пропорційно зменшується об'єм споживання високопотенціальної частини МПС ( 25%), яка подається по каналу основного палива, до вдвічі меншого значення, так само як і об'єм споживання метану на її збагачення, при цьому споживання об'ємів чистого метану по каналах газопоршньової установки стає практично однаковим.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше встановлена залежність газової проникності порід покрівлі вугільного пласта від різнокомпонентності головних складових діючого поля напружень. Доведено, що при трансформації домежевого рівнокомпонентного напруженого стану гірських порід в різнокомпонентне, газова проникність у напрямі градієнта газового тиску, зростає в залежності від різнокомпонентності головних напружень, ортогональних руху газового потоку.

2. Вперше, при розробці фізико-технічних основ нового, такого, що не має аналогів у вітчизняній і зарубіжній гірничий науці і практиці, способу випереджаючої дегазації порід покрівлі, враховано чинник стабілізації деформаційних процесів на межі підробленого і незайманого масивів гірських порід і визначена залежність дебіту дегазаційних свердловин від характеристик геологічного об'єкту дегазації: глибини залягання і його потужності, проникності порід і в'язкості газу в незайманому масиві, за межами впливу гірничих робіт.

3. Встановлено закономірності формування концентрації і об'ємів добування метаноповітряної суміші при різних способах дегазації вуглепородного масиву, на базі яких обґрунтовано і упроваджено технологічні схеми керування потоками МПС різної концентрації для ефективного використання шахтного газу метану.

Наукове значення роботи полягає у встановленні та врахуванні закономірностей впливу напружено-деформованого стану вуглепородного масиву на газопроникність порід покрівлі пласта, що розробляється, які характеризують процеси дренування метану і визначають параметри дегазації, що дозволяє використовувати МПС, добуту різними способами дегазації і з різною концентрацією метану, для вироблення електроенергії і тепла.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено новий захід дегазації - спосіб випереджаючої дегазації порід покрівлі високонавантажених лав, який включає вибір геологічного об'єкту дегазації, буріння з підготовчих виробок дегазаційних свердловин, їх обсадку, герметизацію і підключення до дегазаційного трубопроводу. Новим в способі є те, що свердловини бурять у напрямі порід покрівлі старої відпрацьованої лави, перетинаючи об'єкт дегазації в зоні найбільшого прогину порід, яка сформувалася після обвалення порід покрівлі старої відпрацьованої лави. Розроблено параметри буріння свердловин випереджаючої дегазації: кути підйому і розвороту, довжина свердловини, відстань між свердловинами.

2. Визначено схему руху і потоків метану із геологічного об'єкту випереджаючої дегазації в незайманому масиві порід покрівлі в зону найбільшого прогину порід і далі - в дегазаційну свердловину.

3. Розроблено методику вибору геологічного об'єкту випереджаючої дегазації, яка базується на аналізі і порівняльній оцінці густоти добувних запасів метану в ньому і густоти добувних запасів метану, що міститься у вугільних пластах-супутниках і газоносних породах покрівлі. Критерієм вибору геологічного об'єкту випереджаючої дегазації є вміст в ньому не менше 50% добувних запасів метану вуглепородного масиву покрівлі, а також залягання в інтервалі 100 м від робочого вугільного пласта.

4. Розроблено бізнес-план проекту, проектно-конструкторська документація і здійснено будівництво підземної системи дегазації та поверхневих частин теплоенергетичного комплексу для виробництва електроенергії і тепла з шахтного метану в умовах шахти ім. О.Ф. Засядька.

Реалізація результатів дослідження. Основні результати досліджень автора використано при:

- розробці Державного нормативного акта з охорони праці «Схеми та способи керування газовиділенням на виїмкових ділянках вугільних шахт», затвердженого і введеного в дію наказом Держпромгірнагляду України №108 від 30.06.2006 р.

- розробці галузевого стандарту Мінвуглепрому України «Випереджаюча дегазація порід покрівлі високопродуктивних лав. Правила застосування» СОУ 10.100174088.023:2010, затвердженого наказом Мінвуглепрому України від 31.08.2010 р. №325.

- фактичний економічний ефект від вироблення теплоенергетичним комплексом електроенергії склав 154,2 млн грн, тепла - 60,9 млн грн, виплат за квотами зменшення викидів метану в атмосферу - 315,8 млн грн, а з урахуванням витрат на будівництво, монтаж, налагодження і введення в експлуатацію підземної і поверхневої частин теплоенергетичного комплексу на шахті ім. О.Ф. Засядька загальний економічний ефект склав 272,3 млн грн. Частка автора в отриманому економічному ефекті склала 10%, або 27,2 млн грн (довідки від 03.02.2010 р.).

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджується використанням фундаментальних положень механіки пористих газонасичених середовищ, механіки руху рідини і газу в пористих середовищах, термодинаміки, апробованих методів статистичної обробки даних і математичного моделювання процесів, що вивчаються, а також задовільною збіжністю теоретичних і експериментальних даних (розбіжність результатів теоретичних і експериментальних досліджень не перевищує 20%, показники знаходяться в межах довірчої вірогідності відхилення). Відтворюваність отриманих результатів забезпечується використанням стандартних приладів, типової апаратури і методів вимірювань. Адекватність розробленої математичної моделі процесів газоперенесення реальним умовам виїмкових ділянок підтверджується напівемпіричним підходом до опису досліджуваних процесів і збіжністю отриманих теоретичних і експериментальних результатів.

Особистий внесок здобувача полягає в теоретичному узагальненні і вирішенні важливої для народного господарства наукової проблеми - створенні фізико-технічних основ комплексної дегазації і використання метану вугільних шахт. Автор брав безпосередню участь в постановці досліджень, виборі методів, обґрунтуванні науково-технічних принципів, проведенні експериментів, натурних вимірювань, розробці, випробуванні і впровадженні технічних засобів і технологій. Мета і завдання досліджень, ідея роботи, основні наукові положення, висновки і рекомендації сформульовані автором самостійно. Текст дисертації автором написаний особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і отримали позитивну оцінку на ХVIII і ХХ Міжнародних наукових школах ім. академіка С.О. Христиановича «Деформація і руйнування матеріалів з дефектами і динамічні явища в гірських породах і виробках» (Сімферополь, 2008, 2010 рр.), на III, IV, V і VI Міжнародних науково-практичних конференціях «Метан вугільних родовищ України» (Дніпропетровськ, 2004, 2006, 2008 і 2010 роки), на ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції «Промислова безпека і охорона праці-2008» (Ялта, 2008 р.), VI міжнародній науковій школі-семінарі «Імпульсні процеси в механіці суцільних середовищ» (Миколаїв, 2005 р.), Міжнародних конференціях «Форум гірників - 2006», «Форум гірників - 2010» (Дніпропетровськ, 2006, 2010 рр.).

Публікації. Основний зміст роботи опубліковано в 62 наукових роботах, з яких: 4 монографії, 2 державних нормативних акта, 30 статей в наукових фахових виданнях, 8 авторських свідоцтв і патентів, 18 доповідей і тез доповідей на конференціях і семінарах.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків і 9 додатків. Робота викладена на 384 сторінках, містить 68 рисунків, 41 таблицю, а також список використаних джерел з 207 найменувань.

Основний зміст роботи

метан шахта гірський дегазація

Виконаний в першому розділі аналіз уявлень про вміст метану у вуглепородному масиві, існуючі способи дегазації і використання метану на вугільних шахтах показав, що на сучасному етапі розвитку вуглевидобування існує актуальна наукова проблема, яка містить три основні аспекти - підвищення безпеки ведення гірничих робіт по газовому чиннику; видобуток шахтного газу метану як цінної вуглеводневої сировини; зниження шкідливих викидів шахтного метану в атмосферу і поліпшення екологічної обстановки у вугледобувних регіонах.

У розвиток робіт з дегазації на вугільних шахтах значний внесок зробили дослідники Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт в гірничої промисловості, Інституту гірничої справи ім. О.О. Скочинського, Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, Українського науково-дослідного і проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України, Інституту фізики гірничих процесів НАН України, Національного гірничого університету, Інституту проблем комплексного освоєння надр РАН, Донецького національного технічного університету, Донецького вугільного інституту, а також фахівці шахт та об'єднань з видобутку вугілля.

В результаті вивчення загальних положень про вміст метану у вугіллі і породах, а також аналізу зміни колекторських властивостей вуглепородного масиву встановлено, що процес метановиділення є нестаціонарним за своєю природою і протікає в тривимірному просторі, що має складну геологічну будову і фільтраційні властивості, які динамічно змінюються. Наявні експериментальні результати не дають на сьогоднішній день можливості надійно узагальнити закономірності процесу фільтрації газу через масив, що перетерплює динамічний процес необоротних зрушень.

Дослідженню джерел надходження газу до виробок виїмкових ділянок і вивченню процесу фільтрації у вуглепородному масиві присвячено достатньо багато робіт вітчизняних і зарубіжних учених, внаслідок чого сформувалася спрощена думка про те, що основною складовою метановиділення є його поява з пластів-супутників та з пласта, що розробляється, і практично не враховувалося газовиділення з пісковиків. Такий підхід вимагає істотного уточнення як з погляду механізму газовиділення, так і з позицій оцінки можливих об'ємів метану, що виділяється кожною з геоструктур.

У раніше проведених дослідженнях проникність зачепленою очисними роботами товщі приймалася постійною, усередненою і не враховувала напружено-деформованого стану масиву, який розроблявся. Результати аналізу сучасних робіт даного напряму свідчать про необхідність обліку нерівнокомпонентності діючого поля напружень при визначенні фактичних величин проникності масиву.

Аналіз відомих технологій використання метану на вугільних шахтах дозволив розкрити різноманіття наявних варіантів енергопереробки видобутого метану в теплову і електричну енергію і визначити ряд найбільш раціональних, з точки зору їх адаптації до конкретних гірничо-геологічних умов.

У другому розділі виконано оцінку розподілу метану у вуглепородному масиві в межах шахтних полів Донбасу. Виявлено 16 складових у суміші газу, яка утримується у вуглепородній товщі. Показано, що в газовому балансі вугленосних відкладів Донбасу, які вміщають вугілля середніх марок Г, Ж, К, пісковики виконують важливу роль.

У складі газів, що містяться нижче межі зони газового вивітрювання, основним компонентом є метан, присутні азот, важкі вуглеводні, вуглекислий газ і рідкісні гази. Вміст метану змінюється від 68 до 91%, азоту - від 6 до 31%, сумарна кількість важких вуглеводнів досягає 6%, присутні гелій, водень, аргон, вуглекислий газ.

Таким чином, склад газів гірських порід змінюється у вертикальному розтині кам'яновугільних відкладів і залежить від факторів, серед яких вирішальну роль відіграють фільтраційні властивості порід, геологічні, фізико-хімічні і термодинамічні умови.

Склад газів пісковиків, які залягають нижче верхньої межі зони метанових газів, практично не відрізняється за основними компонентами від складу газів вугільних пластів.

Визначено основні геологічні і термодинамічні умови газоносності порід. Показано, що можливість накопичення газів в гірських породах визначається умовами їх осадконакопичення, ступенем седиментаційних змін, структурно-тектонічними і гідрогеологічними умовами. Накопичення газів в пісковиках і алевролітах ранніх стадій епігенезу може відбуватися лише в умовах літологічних, стратиграфічних, структурно-тектонічних і інших видів пасток. У пісковиках середніх стадій катагенезу метан знаходиться в основному в розсіяному стані.

Виконано імітаційне моделювання процесу фільтрації газу навколо очисного вибою шляхом сумісного рішення геомеханічної і пов'язаної з нею газодинамічної задачі, що відрізняється обліком швидкості посування лави, тривалістю процесу фільтрації, початкового стану системи і анізотропії властивостей гірських порід. Вперше встановлено факт перетікання метану із зони активних зрушень примикаючої лави в суміжний, раніше вироблений простір і визначено його кількісні значення, а також їх залежність від швидкості посування лави.

Третій розділ присвячено дослідженню впливу стану вуглепородного масиву, що підробляється, на його фільтраційні властивості.

Відомо, що газова проникність гірських порід, яка характеризує здатність пропускати газоподібні флюїди за наявності градієнта тиску газу на шляху їх фільтрації, залежить в основному від тріщинно-порової структури газових колекторів і їх напруженого стану. Експериментально встановлено, що в умовах рівнокомпонентного об'ємного напруженого стану збільшення зовнішньої напруги призводить до зниження (аж до 0) газової проникності фільтраційних середовищ в результаті їх ущільнення, сприяючого перекриттю або зменшенню поперечних перетинів магістральних тріщинно-порових каналів.

В результаті комплексу виконаних за участю автора експериментальних досліджень вивчено механізм зміни газової проникності об'ємно-напружених гірських порід під час переходу їх з рівнокомпонентного напруженого стану до різнокомпонентного. Доведено, що при трансформації домежевого рівнокомпонентного напруженого стану в різнокомпонентне, навколо гірничих виробок і пройдених дренажних свердловин в газоносному порідному масиві відбувається процес активізації деформацій, що приводять до зміни геомеханічного стану гірських порід. При цьому в зонах активізації деформаційних процесів відбувається розкриття існуючих і утворення нових тріщин природного і техногенного характеру, які в цілому структурують фільтраційну систему об'ємно напруженого газонасиченого середовища.

Процес трансформації фільтраційної системи в газоносному порідному масиві супроводжується зростанням газової проникності і газовіддачі вміщуючих порід до поверхонь стоку у напрямі градієнта газового тиску.

Доведено, що зростання фільтраційних параметрів газоносних порід в зонах активізації деформаційних процесів залежить від ступеня різнокомпонентності головних складових діючого поля напружень, які обумовлюють геомеханічний стан газоносного масиву гірських порід. Це підтверджено комплексом лабораторних і шахтних досліджень, виконаних автором в глибоких шахтах Донбасу.

Максимальні значення коефіцієнтів відповідають розвантаженим зразкам, а мінімальні - напруженим зразкам при рівнокомпонентному об'ємному стисненні, коли = 1, тобто . Звідси видно, що співвідношення компонент поля напружень так же істотно впливає на коефіцієнт газопроникності, як і величина самого напруження.

Для отримання якісної картини і кількісних показників зазначеного процесу проведено шахтний експеримент в умовах шахти ім. О.Ф. Засядька. Дослідження проводилися по чотирьох свердловинах, згрупованих по дві в ортогональних напрямах на пікетах №53+3 і №54 в 10-му західному конвеєрному штреці по пласту l₁. Вертикальні свердловини пробурені в покрівлю пласта діаметром 46 мм і завдовжки 12 м кожна. Горизонтальні свердловини діаметром 46 мм і завдовжки 12 м кожна пробурені по простяганню на відстані 0,6 м від пласта. У складі використаного устаткування головними елементами були герметизуючий пристрій і насос, який повинен забезпечити подачу робочої рідини в герметизатор і нагнітальну камеру вимірювальної свердловини з тиском біля 40 МПа і темпом підняття тиску 1-2 МПа/с. Було використано герметизатор фірми SCHMIDT KRANZ (Німеччина), призначений для ізоляції вимірювальної свердловини і виконаний з армованої металевим кордом гумової оболонки, кінцеві частини якої жорстко закріплені в кільцевих зазорах між циліндровими сталевими обоймами і конусними втулками. В якості насосу високого тиску було використано насосну установку СНТ-32, яка дозволяє в короткочасному режимі забезпечувати тиск робочої рідини 40-45 МПа, що цілком достатньо для здійснення локального гідророзриву (ЛГР) пісковику і алевроліту. Крім того, установка СНТ-32, маючи продуктивність до 100 л/хв., дозволяє здійснювати розростання тріщин, які утворилися при ЛГР, до значних розмірів.

Для визначення методом ЛГР чисельних значень головних напружень, які діють в площині, ортогональній подовжній осі вимірювальної свердловини, використовували рівняння:

, (1)

де - екстремальний ефективний тиск робочої рідини в нагнітальній камері у момент ЛГР; і - відповідно менша і більша компоненти поля напружень, що діють в масиві; - межа опору породи гідророзриву за умов відсутності зовнішнього навантаження; - коефіцієнт тріщинно-порової структури руйнованого середовища; - внутрішньопоровий тиск флюїдів; і - межі опору випробовуваної породи одновісному розтягуванню і стисненню.

При герметизації нагнітальної камери розпором герметизатора, гідророзрив, як правило, починається в аномально напруженій зоні у сполучення нагнітальної камери з герметизуючою оболонкою під дією результуючого (ефективного) гідростатичного тиску , критична величина якого дорівнює:

, (2)

де і - відповідно екстремальні значення гідравлічного тиску і тиску розпору; - коефіцієнт передачі тиску розпору герметизатора на стінки вимірювальної свердловини (експериментально визначено, що для гумових герметизаторів, армованих металевим кордом = 0,6-0,7); - коефіцієнт взаємодії розпору і гідравлічних силових полів, який змінюється залежно від співвідношення їх чисельних характеристик від 0 до 1 і в початковий момент гідророзриву рівний:

. (3)

З аналізу рівняння (1) видно, що воно включає дві складових шуканих головних напружень і . Менше з головних напружень визначають по стабілізованому тиску робочої рідини в нагнітальній камері після локального гідророзриву (). Тоді більшу компоненту діючого поля напружень обчислюють за експериментально отриманими даними, які входять в аналітичну залежність (1), яка після перетворень має вигляд:

(4)

. (5)

Враховуючи, що для більшості гірських порід, схильних до крихкого руйнування, опір розтягуючим зусиллям не перевищує 10% опору стисненню, можна приблизно прийняти коефіцієнт . Підставляючи замість стабілізований тиск робочої рідини в нагнітальній камері () отримаємо зручну для практичного застосування залежність:

. (6)

У шахтних умовах локальний гідророзрив здійснювали в заздалегідь пробурених вимірювальних свердловинах, виходячи з мети і завдань експериментальних досліджень. Для підвищення надійності отриманих експериментальних результатів, і використовуючи встановлену закономірність утворення первинної тріщини ЛГР в локальній області сполучення нагнітальної камери з герметизуючою оболонкою розпору герметизатора, здійснювали поінтервальний гідророзривний каротаж. Він полягає в послідовній реалізації локальних гідророзривів в напрямку від гирла вимірювальної свердловини до її вибою. Кожен подальший гідророзрив виконували після пересування герметизатора на відстань, не менше довжини герметизуючої оболонки, що забезпечувало перекриття тріщини попереднього ЛГР. Такий підхід дозволяє в одній вимірювальній свердловині набути декілька чисельних значень параметрів ЛГР, що істотно підвищує надійність визначення величини головних складових діючого поля напружень у вуглепородному масиві і представляє можливість кількісно оцінити їх зміни на вимірювальних інтервалах.

Використовуючи експериментальні дані гідророзривних каротажів, виконаних у вимірювальних свердловинах, визначали більшу складову напружень, що діють у вуглепородному масиві. По заміряних параметрах ЛГР в кожному гідророзривному інтервалі визначали величину меншої горизонтальної компоненти по стабілізованому тиску робочої рідини в нагнітальних камерах () і величину більшої горизонтальної компоненти поля напружень по екстремальних значеннях () згідно розрахункової залежності (6). Вертикальну складову поля діючих напружень () розраховували по добутку усередненої об'ємної ваги вищерозміщених порід на глибину вимірювання від земної поверхні, а також по параметрах ЛГР в горизонтальних свердловинах, пробурених субпаралельно напряму більшої горизонтальної компоненти ().

Отримані результати свідчать про те, що поле діючих напружень у вуглепородному масиві різнокомпонентно. Більшою по величині є одна з головних горизонтальних складових поля напружень , що змінюється в межах 50,6-60,0 МПа, що на 60 та 90% перевищує тиск вищерозміщених порід. Друга головна горизонтальна компонента змінюється від 19,0 до 22,0 МПа і в середньому не перевищує 0,7 на даній глибині вимірювань (=1250 м). Вертикальна складова по величині проміжна, приблизно відповідає тиску вищерозміщених порід (=31,3 МПа).

Для визначення просторової орієнтації головних компонент поля напружень розроблено спосіб, який базується на доведеній експериментально закономірності, сутність якої полягає в тому, що локальний гідравлічний розрив гірських порід, що знаходяться в різнокомпонентному напруженому стані, відбувається в радіальній площині, орієнтованій у напрямі більшої, ортогонально меншій компоненті зовнішнього поля напружень. Результати визначень свідчать про те, що більша компонента приблизно орієнтована вхрест простягання гірських порід (азимут 175-185°). Тобто напрям меншої горизонтальної компоненти субпаралельній лінії простягання порід, а вертикальної складової субвертикальний земній поверхні з відхиленням від нормалі до неї не більше 15°.

Таким чином встановлено, що фільтраційна система напруженого газонасиченого середовища характеризується просторовою орієнтацією головних компонент діючого поля напружень. При трансформації рівнокомпонентного напруженого стану гірських порід в різнокомпонентне газова проникність зростає із збільшенням ступеня різнокомпонентності головних напружень, ортогонально яких рухається потік газу, що фільтрується, тому повздовжня вісь дегазаційної свердловини орієнтується перпендикулярно площині дії максимальної і мінімальної складових діючого поля напружень.

Такий підхід дозволяє по новому представити зміну газової проникності різнокомпонентно напружених середовищ залежно від ступеня різнокомпонентності головних складових діючого поля напружень, ортогональної напряму руху газового потоку, що фільтрується.

Практично він дозволяє прогнозувати протікання фільтраційних процесів, що відбуваються в об'ємно-напружених газоносних середовищах і на їх основі розробляти раціональні технічні рішення по підвищенню ефективності заходів дегазації з урахуванням величини і характеру розподілу головних складових діючого поля напружень.

До таких заходів належить вибір напряму дегазаційних або технологічних свердловин з наперед заданими характеристиками і показниками призначення. Достовірність, надійність і ефективність такого підходу підтверджена результатами шахтних експериментів.

Четвертий розділ присвячено фізико-технічним основам випереджаючої дегазації порід покрівлі високонавантажених лав.

Випереджаюча дегазація на відміну від завчасної і попередньої виконується вже після початку гірських робіт на площі, що дегазується, - під час підготовки виїмкової ділянки або ж в процесі її експлуатації, коли масив, який дегазується, знаходиться попереду забою поза зоною впливу очисних робіт лави, яка дегазується. Метою випереджаючої дегазації є зниження показників газоносності порід до початку ведення гірничих робіт з видобутку вугілля. Це досягається шляхом добування метану із газоносних порід-колекторів в природних умовах, коли на масив ще не впливають гірничі роботи, але на виїмковій ділянці вже проводяться підготовчі виробки, з яких можливе буріння дегазаційних свердловин.

Сутність випереджаючої дегазації полягає у добуванні метану свердловинами із зон його скупчення в масивах з хорошими колекторськими властивостями, що утворилися в результаті геомеханічних процесів, які відбуваються в уміщуючих породах при веденні робіт з видобутку вугілля. Вуглепородний масив тут характеризується підвищеною порожнистістю порід, зниженням вмісту води в поровому просторі і збільшенням майже на два порядки проникності. Знижений тиск газу в цих зонах сприяє дренуванню метану з недоторканого масиву в зону розущільнення навіть крізь породи з низькою (0,01-0,04 мД) проникністю. Враховуючи, що площа дренування має досить значні розміри (прямокутник заввишки, рівний потужності геологічного об'єкту дегазації, і завдовжки рівний довжині виїмкового стовпа), об'єми дренованого метану цілком прийнятні для його добування із цієї частини порід. Ці положення підтверджені дослідженнями на шахті ім. О.Ф. Засядька при комплексній дегазації порід покрівлі 16-ї західної лави по пласту з використанням виробок «газового горизонту». При середньому дебіті всіх свердловин «газового горизонту», рівним 21,5 м³/хв., чверть складав дебіт свердловин випереджаючої дегазації.

На підставі виконаних досліджень розроблено «Спосіб випереджаючої дегазації порід покрівлі високонавантажених лав», захищений патентом України на винахід.

На рис. 2 показано вертикальний розріз сполучення порід відпрацьованої 15-ї західної лави з новою 16-ю західною лавою по пласту m₃. Геологічним об'єктом дегазації є пісковик , повна потужність якого досягає 40 м, а густота його добувних запасів вільного метану в районі виїмкової ділянки 16 лави складає близько 50 м³ метану на 1 м² площі. У цьому пісковику в результаті геомеханічних процесів утворюється зона найбільшого прогину порід, яка розташована в смузі сполучення підробленого і недоторканого масиву на ділянці знижених напружень, обмеженій зоною активних зрушень порід з боку підробленого масиву і зоною опорного тиску, - з боку недоторканого масиву.

Впродовж цієї смуги утворюється затиснена в зоні опорного тиску консоль пісковику (перетин БВГД на рис. 2), в якій геомеханічні процеси розшарування відбуваються відразу після підробки, а, потім, - ущільнення відбуваються в часі повільніше, ніж в інших місцях. Тому в цій смузі тріщинуватість і проникність порід набагато вищі, а тиск газу нижчий, ніж в незайманому масиві і сюди дренує метан з незайманого масиву. Ця смуга пісковику впродовж виїмкового стовпа є збірним колектором вільного метану. Розташування дегазаційних свердловин в таких колекторах дозволяє добувати метан високої концентрації задовго до підходу очисних робіт, тобто виконувати випереджаючу дегазацію.

За результатами досліджень розроблено параметри способу випереджаючої дегазації порід покрівлі високонавантажених лав. Свердловини буряться у напрямі порід покрівлі відпрацьованої лави, суміжної з лавою, яка буде відроблятися, перетинаючи на повну потужність геологічні об'єкти дегазації в смузі найбільшого прогину порід. Для виконання цієї умови з метою зниження витрат на буріння, кут розвороту свердловини від осі підготовчої виробки приймається рівним 90.

Кут нахилу свердловини до горизонту (град.), який вибирається з умови перетину свердловиною зони найбільшого прогину порід в її серединній частині, залежить від кута падіння порід і кута повних зрушень порід покрівлі відпрацьованої лави. Для умов Донбасу ( = 55) кут визначається за формулою:

. (7)

Допуск 2 враховує можливу помилку під час встановлення бурового станка. Довжина свердловини l_с, м, що забезпечує перетин геологічного об'єкту дегазації на повну його потужність, визначається за формулою:

l_с. (8)

Коефіцієнт 1,05, введений для збільшення запасу довжини свердловини на 5%, виключає помилку при визначенні відстані h (м) від покрівлі пласта, що розробляється, до покрівлі геологічного об'єкту дегазації.

Експериментальні дослідження з випереджаючої дегазації пісковиків в покрівлі пласта проведено з метою відпрацювання параметрів і методів оцінки ефективності способу на шахті імені О.Ф. Засядька в гірничо-геологічних умовах 17-ї східної, 17-ї західної і 18-ї східної лав.

17 східна лава. З 17 східного вентиляційного штреку на пікетах ПК 30 і ПК 39 у напрямі порід покрівлі відпрацьованою 16 східної лави пробурені дві свердловини, які перетинають геологічний об'єкт випереджаючої дегазації на повну потужність. Геологічний об'єкт випереджаючої дегазації - газоносний пісковик , що залягає в 35,5 м вище за робочий пласт . На ділянці дегазації (ПК 25,5-ПК 43,5) пісковик витриманої потужності - 49,9 м. Ефективна пористість пісковику - 0,021, а розрахункова газоносність складає 2,2 м³/м³. Відмітка середини потужності пісковику в районі дегазаційних свердловин - 1223,8 м. Потужність пласта , що виймається, складає 1,65 м. Довжина 17-ї східної лави - 250 м, відстань між свердловинами дорівнює 90 м, а довжина ділянки, що дегазується, по простяганню - 180 м. Об'єм добувних запасів метану, що містяться в пісковику на ділянці, що дегазується, складає 2835 тис. м³.

17 західна лава. З демонтажного ходка 16-ї західної лави в зону найбільшого прогину порід, розташовану на сполученні відпрацьованої 16-ї і нової 17-ї західних лав пробурені дві дегазаційні свердловини. Геологічний об'єкт випереджаючої дегазації - пісковик потужністю 49,5 м, перебурений свердловинами в зоні найбільшого прогину порід з виходом свердловини з його покрівлі в створі ПК-23 і ПК-26 по вентиляційному штреку. Відстань між точками виходу свердловин із пісковику і забоєм 17-ї західної лави на момент підключення до дегазаційного трубопроводу складала 1004 і 974 м. Розміри ділянки, що дегазується, по простяганню складають 110 м: по 40 м від кожної свердловини і 30 м між ними, а розмір ділянки по падінню дорівнює довжині 17-ї західної лави - 265 м. Об'єм добувних запасів метану на ділянці складає 1832 тис. м³. Свердловини ПК 23 і ПК 26 під час роботи мали між собою газодинамічний зв'язок - при підвищенні дебіту в одній свердловині, дебіт в другій знижувався на стільки ж і навпаки.

18 східна лава. З вентиляційного штреку на пікетах ПК-21, ПК-25, ПК-29, ПК-38 і ПК-46 пробурені 5 свердловин з параметрами способу випереджаючої дегазації. В умовах 18-ї східної лави геологічний об'єкт випереджаючої дегазації пісковик потужністю 40,0 м, газоносністю 2,33 м³/м³ залягає в 39,5 м вище пласта , що розробляється. Величина добувних запасів метану, що містяться в пісковику на ділянці, що дегазується, дорівнює 4624 тис. м³.

Початкові дані, показники роботи свердловин випереджаючої дегазації і результати оцінки їх ефективності приведені в табл. 1.

Всього при проведенні експериментальних робіт на шахті ім. О.Ф. Засядька свердловинами випереджаючої дегазації із газоносних пісковиків покрівлі добуто 4 млн 46 тис. «чистого» метану з дебітом свердловин до 3,0 м³/хв. і концентрацією метану в газі до 95%.

Розроблено методику вибору геологічного об'єкту випереджаючої дегазації, яка базується на аналізі і порівняльній оцінці густоти добувних запасів метану в ньому і густоти добувних запасів метану, що міститься у вугільних пластах-супутниках і газоносних породах покрівлі. Критерієм вибору геологічного об'єкту випереджаючої дегазації є вміст в ньому не менше 50% добувних запасів метану вуглепородного масиву покрівлі, а також залягання зазначеного об'єкту в інтервалі 100 м від робочого вугільного пласта.

Розроблено методику прогнозної оцінки дебіту свердловин випереджаючої дегазації, що дозволяє виконати розрахунки дебіту за відомими геологічними і технологічними параметрами: глибиною залягання і потужністю геологічного об'єкту випереджаючої дегазації, його ефективною пористістю і динамічною в'язкістю метану. Формула для інженерних розрахунків початкових показників дебіту метану в свердловину має вигляд:

, (9)

де Н - глибина залягання пісковику, що дегазується, м; m_n - потужність пісковику, що дегазується, м; R - відстань між свердловинами, м; - коефіцієнт газопроникності пісковику, м²; - динамічний коефіцієнт в'язкості метану в досліджуваних умовах, Пас; - відстань у бік непорушеного масиву, на якій тиск газу в пісковику буде рівний пластовому тиску, м.

Порівняння розрахункових величин з показниками дебіту свердловин при проведенні експериментальних робіт по впровадженню способу випереджаючої дегазації на шахті ім. О.Ф. Засядька, показує їх задовільну збіжність, що дозволяє зробити висновок про достовірність розрахунків.

Показники роботи і ефективність свердловин випереджаючої дегазації 17-ї східної, 17-ї західної і 18-ї східної лав

Реалізація методу визначення дебіту свердловин дає можливість прогнозувати об'єми добувного метану на виїмкових ділянках, що є початковим матеріалом для проектування дільничних дегазаційних систем і планування заходів з використання метану.

Розроблено методику оцінки ефективності свердловин випереджаючої дегазації за коефіцієнтом, який визначається як відношення об'єму видобутого метану до об'єму добувних запасів геологічного об'єкту випереджаючої дегазації в межах ділянки, що дегазується. При проведенні експериментальних робіт на шахті імені О.Ф. Засядька їх ефективність склала: 17 східна лава - 34,5%; 17 західна лава - 85,0%; 18 східна лава - 32,5%.

На прикладі шахт «Алмазна» ДП «Добропіллявугілля», «Чайкіно», ім. В.М. Бажанова, «Бутівська» ДП «Макіїввугілля» та «Красноармійська-Західна №1», які розташовані у двох геолого-промислових районах Донбасу, показана можливість застосування способу випереджаючої дегазації порід покрівлі високонавантажених лав на ділянках з гірничо-геологічними умовами, що відрізняються від умов шахти ім. О.Ф. Засядька, де автором були проведені експериментальні роботи. На підставі виконаних досліджень розроблено галузевий стандарт СОУ 10.1.00174088.023:2010 «Випереджаюча дегазація порід покрівлі високопродуктивних лав. Правила застосування», який чинним порядком затверджено наказом Мінвуглепрому №325 від 31 серпня 2010 року.

П'ятий розділ дисертації присвячено розробці принципів організації використання метану на вугільних шахтах. Доведено, що об'єднання в єдиний комплекс процесів видобутку і переробки шахтного газу метану в електричну і теплову енергію відкриває можливість істотного підвищення економічної ефективності всього комплексу.

Запропонований підхід складає основу концепції створення теплоенергетичних комплексів на базі використання метану вугільних шахт, основні положення якої відповідають головним напрямам реструктуризації вугільної промисловості України і дозволяють вирішити наступні завдання:

- поліпшення екологічної ситуації, зокрема створення безпечних за газовим чинником умов для видобутку вугілля, і зниження забруднення навколишнього середовища за рахунок зменшення викидів в атмосферу метану;

- зниження собівартості вугілля внаслідок збільшення навантаження на очисний вибій при виїмці вугільного пласта, підданого попередній дегазації, а також за рахунок самозабезпечення шахт дешевою тепловою й електричною енергією, одержаної при утилізації метану в когенераційних енергетичних модулях, коефіцієнт корисної дії яких складає біля 86%, що недосяжно в інших енергетичних об'єктах;

- отримання додаткової енергетичної і технологічної сировини.

Аналіз тенденції зміни умов видобутку вугілля й ефективності застосування існуючих засобів дегазації виїмкових ділянок показує, що з поглибленням гірничих робіт ефективність традиційних засобів дегазації ділянок знижується, а їх застосування вимагає значних і зростаючих фінансових і матеріальних витрат. Зниження стійкості гірських порід, збільшення довжини магістральних дегазаційних трубопроводів, дефіцит устаткування зменшують ефективність застосування традиційного способу дегазації ділянок - каптажу метану.

Запропоновано і апробовано спосіб дегазації вугленосної товщі з попереднім розвантаженням, що включає буріння свердловин в масиві, їх гідророзрив, фіксацію тріщин сипкими матеріалами, а також на першому етапі, до початку відробки пласта, при проходженні виїмкових штреків - буріння розвантажувальних свердловин, а на другому етапі, після початку відробки, буріння дегазаційних свердловини попереду лави з двох сторін від розвантажувальних.

Шостий розділ дисертації присвячений науково-технічному обґрунтуванню, результатам промислової перевірки і реалізації енергоефективного комплексу дегазації та використання шахтного газу метану.

Метаноповітряна суміш (МПС), яку видобувають залежно від джерел надходження характеризується різним ступенем забрудненості і концентрації, тому, в силу жорстких вимог газопоршньової установки до вихідної сировини, вона повинна бути обладнана системою газопідготовки, яка забезпечує необхідні параметри газової суміші до її надходження в установку, а саме: мінімальна концентрація 25%; відносна вологість 80%; температура 40 С.

На вугільних шахтах для утилізації шахтного метану економічно і екологічно доцільно використовувати енергокомплекси, що реалізують принцип газопоршневої когенерації, при цьому енергетичним об'єктом, що виробляє теплову й електричну енергію є газопоршневий двигун, який характеризується наявністю входу за основним паливом (шахтний метан) і окислювачу (повітря). Однією з основних проблем, пов'язаних з підвищенням ефективності роботи шахтних енергокомплексів, є утилізація надлишкового тепла. У зв'язку з цим розроблено схему утилізації як тепла системи охолодження газопоршньової установки, так і тепла димових газів, що виходять, яка використовується для вироблення додаткової електричної енергії на базі низькокиплячих робочих тіл (фреон, аміак). Розроблено алгоритм розрахунку даної схеми, проведено дослідження і вибір раціональних параметрів, а також дана економічна оцінка запропонованої схеми, термін окупності якої не перевищує 3-х років. Приведена схема енергетичного модуля на базі газопоршньової установки, що реалізує 4 основних режими роботи (вироблення основної електроенергії; вироблення основної і додаткової електроенергії на базі гідропарових турбін; вироблення основної електроенергії і теплової енергії; вироблення основної і додаткової електроенергії, а також використання теплової енергії, як шахтою, так і сторонніми споживачами). Дослідження економіко-математичних моделей показало, що максимальний прибуток і мінімальний термін окупності модуля забезпечуються при максимальному використанні електричної і теплової енергії, як безпосередньо, так і шляхом перетворення її в додаткову електроенергію на базі фреонових або гідропарових турбін.

Особливу складність представляє недостатня концентрація метаноповітряної суміші. Вакуум-насосні станції шахти відбирають метан, як із дегазаційних свердловин (висококонцентрована МПС), так і з системи газовідсмоктування (низькоконцентрована МПС). Одним із шляхів вирішення даного питання є подача низькоконцентрованої МПС по каналу повітряного дуття, а висококонцентрованої МПС - по каналу основного палива.

Перевагою запропонованої схеми є те, що вона дозволяє реалізувати номінальний режим роботи газопоршньової установки, регулюючи подачу або атмосферного повітря, або газу із свердловин поверхневої дегазації для збагачення, що здійснюється з метою забезпечення номінальних параметрів МПС, обумовлених Правилами безпеки.

Схема управління подачею палива в газопоршньову установку містить канали 1 і 3 подачі, відповідно низькоконцентрованої і висококонцен-трованої МПС, а також канал 2 для подачі повітря горіння, суматори і , а також регулятори , що реалізують необхідний режим роботи. Основний режим передбачає подачу МПС по каналах 1 і 3 з концентраціями і , які забезпечують роботу газопоршньової установки з номінальною потужністю. На базі балансових рівнянь по чистому метану і витраті МПС розроблено алгоритм розрахунку параметрів запропонованої схеми. Показано, що із збільшенням концентрації МПС по каналу повітряного дуття, зменшується витрата висококонцентрованої МПС по каналу основного палива, тим самим зменшуючи витрату метану з поверхневих дегазаційних свердловин на можливе збагачення МПС. При максимальній концентрації МПС по каналу повітряного дуття витрата МПС по каналу основного палива зменшується майже удвічі. Стосовно до умов шахти ім. О.Ф. Засядька показано, що при роздільній подачі МПС від вакуум-насосної станції по різним каналам газопоршньової установки можна заощадити від 10,0 до 14,0 млн м³ в рік висококонцентрованої МПС за рахунок використання метану газовідсмоктування.

Впровадження системи промислового використання шахтного метану здійснювалось в умовах шахти ім. О.Ф. Засядька, де побудована перша черга когенераційного енергокомплексу на базі 12 газопоршньових установок типу JMS 620 австрійської фірми «Jenbacher», що працюють на шахтному метані з концентрацією 25% і розміщені на східному проммайданчику шахти. Сумарний ККД цих енергетичних установок по теплу і електроенергії доходить до 86%, а встановлена електрична потужність однієї установки складає 3,035 МВт, теплова - 2,63 Гкал/год. У табл. 2 приведені дані про фактичні об'єми утилізації метану, вироблену теплову й електричну енергію та скорочення шкідливих викидів в атмосферу в еквіваленті СО_2екв.