Способ дегазации угольного пласта

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке угольных месторождений для предотвращения газодинамических явлений. Сущность изобретения: осуществляют бурение дегазационных скважин по разрабатываемому массиву из выработки и создают в скважинах разгружающе-дегазирующие трещины-щели. Дегазационные скважины бурят в местах повышенных давлений P_п/P_п>pH, где p - средняя удельная плотность пород над массивом, H - глубина залегания массива, а трещины-щели образуют встряхиванием массива из скважины в вертикальном направлении.

Изобретение относится к горному делу, более конкретно к способам дегазации угольных пластов и извлечения метана из массива, и может быть использовано при подземной разработке угольных месторождений для предотвращения газодинамических явлений; внезапных выбросов угля и газа, внезапных выбросов газа и угольной мелочи, прорывов газа, суфляров, а также для извлечения метана из пластов для повышения теплотворной способности добываемого угля.

Известен способ пластовой дегазации шахт, включающий бурение дегазационных скважин по разрабатываемому массиву из выработки, создание в скважинах системы разгружающе-дегазирующих трещин-щелей, ориентированных вкрест напластованию, оборудование скважин и отсос метана из скважин [1]. Недостатком известного способа является низкая эффективность пластовой дегазации шахты.

Известен способ дегазации угольного пласта, включающий бурение дегазационных скважин по разрабатываемому массиву из выработки, создание в скважинах системы разгружающе-дегазирующих трещин-щелей, ориентированных вкрест напластованию, оборудование скважин и отсосе метана из скважин, в котором для повышения эффективности дегазации в дегазационных скважинах дополнительно выполняют системы трещин, ориентированных параллельно напластованию, при этом все разгружающе-дегазирующие трещины-щели, ориентированные вкрест напластованию, выполняют параллельно стенке выработки, ближайшую к устью скважины трещину-щель выполняют на границе разгружающе-дегазирующего влияния выработки на расстоянии от выработки, определяемом из выражения X_p= , где Х_р - расстояние границы разгружающе-дегазирующего влияния выработки от ее поверхности, м; Х - расстояние в глубь массива, соответствующее проницаемости пласта λ; λ_* - природная газопроницаемость пласта, мД; λ_о- газопроницаемость пласта на поверхности обнажения в выработке, мД; а последующие разгружающе-дегазирующие щели, ориентированные вкрест напластования, выполняют на расстояниях, равных двойному радиусу разгружающе-дегазирующего влияния трещин-щелей [2]. Недостатком известного способа является все еще низкая эффективность дегазации и невозможность извлечения метана из массива.

Целью изобретения является повышение эффективности дегазации и расширение функциональных возможностей способа за счет обеспечения извлечения метана из массива путем адсорбции и хемосорбции метана в уголь.

Достигается это тем, что в способе дегазации угольного пласта, включающем бурение дегазационных скважин по разрабатываемому массиву из выработки и создание в скважинах разгружающе-дегазирующих трещин-щелей, дегазирующие скважины бурят в местах повышенных давлений P_п /P_п > рН, где р - средняя угольная плотность пород над массивом (их удельный вес); H- глубина залегания массива), а трещины-щели образуют встряхиванием массива из скважин в вертикальном направлении.

Изобретательский акт при создании способа заключается в преодолении технического противоречия, сущность которого состоит в следующем. При обычном инженерном проектировании (в отличие от изобретательства) для расширения функциональных возможностей обычно прибегают к выполнению дополнительных действий для придания способу новых расширенных функциональных возможностей. Но при этом неизбежно усложняется способ. Так, например, для дополнительного извлечения метана из пласта в известном способе [3] в скважину нагнетают рабочую жидкость с темпом, превышающим естественную приемистость массива, и откачивают рабочую жидкость после аккумуляции метана в фильтрующем элементе. В настоящем способе это техническое противоречие преодолено - повышение эффективности дегазации и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения извлечения метана из массива путем адсорбции и хемосорбции метана в уголь достигнуты при одновременном упрощении способа. Для преодоления этого технического противоречия необходимы и достаточны следующие отличительные признаки способа:¹⁾ в местах повышенных давлений бурят дегазационные скважины; ²⁾ встряхивают массив из дегазационных скважин в вертикальном направлении. Первый отличительный признак известен сам по себе по отдельности, хотя он никогда ранее не служил для преодоления указанного технического противоречия. Второй отличительный признак неизвестен даже сам по себе по отдельности, тем более он никогда ранее не мог служить для преодоления технического противоречия. Оба признака сформулированы конкретно в смысле однозначности выполняемых операций. Одновременно оба признака сформулированы общо в смысле их независимости от вариантов выполнения приспособлений или материалов для выполнения конкретных операций. Поэтому нельзя заменить на эквивалентный ни один из двух отличительных признаков. Если же исключить любой из отличительных признаков, то поставленная цель не будет достигаться, что однозначно следует из приведенного ниже описания способа. Поэтому, по мнению автора, совокупность двух отличительных признаков соответствует критериям "Новизна" и "Существенные отличия", а предложенный способ соответствует изобретательскому уровню.

Способ дегазации угольного массива осуществляется в следующей последовательности операций. В местах повышенных давлений Р_п /где Р_п>рН, р - средний удельный вес пород над массивом угля; Н - глубина залегания массива) бурят дегазационные скважины по разрабатываемому массиву. Трещины-щели в массиве образуют встряхиванием массива из скважин в вертикальном направлении. При встяхивании массива трещины-щели сначала увеличиваются при увеличении в щелях давления, а затем щели резко уменьшаются по размерам и при этом происходит адсорбция и хемосорбция метана в пласт угля.

П р и м е р. При начале встряхивания (на первой стадии) трещины (поры) пласта расширяются и метан дросселирует в расширяющиеся трещины пласта. При дросселировании температура метана согласно эффекту Джоуля-Томсона повышается, так как температура инверсии метана равна -40^оС и при расширении (дросселировании) метана в добычном забое с температурой +20^оС коэффициент Джоуля-Томсона равен -0,28 К/10⁵ Па. Согласно эффекту μ= ΔT / ΔP , (1) где ΔТ = Т₂ - Т₁ разность температур, достигнутая при расширении метана; ΔР = Р₁ - Р₂ - изменение давления при расширении метана; μ - коэффициент Джоуля-Томсона. Если, например, Т₁ = 293 К, Р₁ = 200 ат = 200 ˙ 0,980665 ˙10⁵ Па = 196,133^.10⁵ Па, а Р₂ = 50 ат = 50 ˙ 0,980665 ˙ 10⁵ Па =49,03 ˙10⁵ Па, то ΔР = 147,103 ˙ 10⁵ Па. Тогда Т₂ = Т₁ + ΔР μ = 293К + 147,103 ^. 10⁵ Па ˙ 0,28К/10⁵ Па = 334,2 К, то есть температура повысится на 41,2^оС.

После встpяхивания пласта (на второй стадии) трещины сужаются под действием давления 200 ат и на второй стадии также происходит нагрев метана выше полученной температуры 334,2 К. Рассчитываем этот нагрев для случая, когда над молем метана совершается работа пласта по сжатию пор метана от давления 50 ат до давления 200 ат, и когда работа А = Р₁(V₂ - V₁) идет на приращение внутренней энергии того же моля метана U = C_v(T₃- T₂), то есть когда P₁(V₂ - V₁) + C_V(T₃ - T₂) = 0, (2) или C_V(T₃ - T₂) + RT₃ = P₁V₁. (3) Следовательно, из (3) получим T₃ = C_р¹(C_VT₂ - P₁T₁). (4) В формуле (4) обозначено: С_р - удельная теплоемкость метана при постоянном давлении, численно равная произведению удельной теплоемкости метана на 1 кг его веса в 2089,05 Дж кг^-1К^-1 на вес 1 моль метана 22,4 дм³ ˙ 0,717 кг/м³ = 0,01606 кг, то есть численно равная величине С_р = 2089,05x x0,0160608 = 33,552 Дж/К; С_V - удельная теплоемкость метана при постоянном объеме, численно равная произведению удельной теплоемкости метана на 1 кг его веса в 1570,05 Дж кг^-1 К-1 на вес одного моль метана 0,0160608 кг,то есть численно равная величине C_V = 1570,05^.0,0160608 = 25,216 Дж/К; V₁ - объем одного моль метана, V₁ = 0,0224 м³. Согласно формуле (4) получим T₃= = = 13345,4K или 13072°C В процессе сжатия метана его температура повышается постепенно и сначала происходит в основном из-за сжатия адсорбции метана в угольный пласт. При давлении 200 ат (или 2 МПа) природным углем сорбируется уже около 17 см³/г метана. При этом молекулы метана будут удерживаться поверхностью угля необратимо, так как размеры молекулы метана и размеры микропор угля соизмеримы и имеют величину порядка 4А. При нагревании метана выше 450^оС (или выше 723 К) начинается хемосорбция метана в уголь с образованием химических соединений метана с углем. С ростом температуры абсорбции и адсорбции уменьшаются, а хемосорбция метана в уголь резко растет. Так как процесс повышения температуры метана при сжатии пласта в пределах упругих деформаций пласта происходит не мгновенно, то метан входит в уголь за счет абсорбции, адсорбции и хемосорбции раньше, чем он нагреется до температуры 800-1000^оС, причем процесс происходит необратимо. Замедлению нагрева метана способствует и расход части тепла на нагрев самого массива угля.

Таким образом, в пласт угля после нескольких встряхиваний пласта входит практически весь находящийся в порах угля метан. Процесс происходит необратимо и поэтому достигается поставленная цель, то есть одновременно и повышается эффективность дегазации и осуществляется извлечение метана в пласт угля, что повышает его теплотворную способность. Оба процесса происходят при абсорбции, адсорбции и хемосорбции метана в пласт угля.

Преимуществами предлагаемого способа по сравнению с прототипом являются: упрощен способ за счет исключения процесса отсоса метана из скважин, исключен процесс выполнения дополнительных трещин вкрест напластованию, расширены функциональные возможности за счет обеспечения утилизации метана непосредственно в пласт угля. Для получения этих преимуществ необходимы и достаточны все ограничительные и отличительные признаки способа.

Формула изобретения

СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА, включающий бурение дегазационных скважин по разрабатываемому массиву из выработки и создание в скважинах разгружающе-дегазирующих трещин-щелей, отличающийся тем, что дегазационные скважины бурят в местах повышенных давлений P_п (P_п > pH, где p - средняя удельная плотность пород над массивом; H - глубина залегания массива), а трещины-щели образуют встряхиванием массива из скважины в вертикальном направлении.