Способ разупрочнения угольного пласта (варианты)

 

Изобретение относится к горному делу и касается подготовки угольного массива к выемке. Способ разупрочнения угольного пласта включает бурение скважины по пласту в обрабатываемую зону, подачу в них диоксида углерода под давлением не ниже порогового. Отличием решения по первому варианту является то, что давление в скважинах повышают выше порогового, но ниже гидроразрыва пласта путем закачки в них воды до полного водонасыщения обрабатываемой зоны. После чего давление воды в скважинах увеличивают до гидроразрыва пласта и продолжают нагнетание воды до тех пор, пока давление в скважине не станет ниже порогового. По второму варианту после полного водонасыщения обрабатываемой зоны и увеличения давления в скважинах до гидроразрыва пласта периодически прекращают подачу воды в скважины и нагнетают вновь до максимально достижимого давления гидроразрыва, пока оно не станет ниже порогового.

Изобретение относится к области горного дела, а точнее касается способа подготовки угольного массива к выемке.

Известные в настоящее время способы разупрочнения, основанные на гидрорыхлении и гидроотжиме призабойной зоны угольного пласта не обеспечивают существенное снижение прочности угля, а приводят к образованию крупных магистральных трещин в массиве. Поэтому они обычно применяются для борьбы с динамическими явлениями и для снижения метановыделения.

Известен способ разупрочнения путем гидроотжима угольного пласта, заключающийся в нагнетании жидкостей (обычно воды) под высоким давлением в специально пробуренные из призабойного пространства в угольный пласт шпуры или скважины до гидроразрыва пласта между загерметизированной скважиной и поверхностью забоя. О завершении гидроотжима судят по остаточным деформациям забоя и образованию магистральных трещин, по которым выходит в забой вода, а также падению давления нагнетания, то есть по признакам гидроразрыва [1] Недостатком данного способа является то, что воздействию подвергаются только нарушенные пропластки угля, и развиваются уже существовавшие трещины, в то время как в зонах крепких углей сеть мелких и средних трещин не образуется, и следовательно не происходит снижение прочности угля в массиве.

Наиболее близким аналогом данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ разупрочнения угольного пласта, включающий бурение скважин по пласту, подачу в них диоксида углерода под давлением равным или больше порогового и выдерживание скважин при этом давлении [2] Недостатком данного способа является невозможность его применения в пластах, имеющих смятые трещиноватые зоны с большей проницаемостью, не позволяющие создать в пласте пороговое давление 3-4 МПа. Кроме того, проницаемость пород и угля по газу в несколько раз превышает их проницаемость по жидкости. Поэтому доставить к угольному забою и закачать в пласт большое количество диоксида углерода трудноосуществимо технически и экономически не целесообразно.

В основу изобретения положена задача разработать способ разупрочнения угольного пласта путем совместного воздействия на него диоксида углерода для снижения свободной поверхностной энергии и напорной воды для создания порогового давления в обрабатываемой зоне угольного пласта и выполнения работы по трещинообразованию, позволяющей значительно снизить прочность угля в обрабатываемой зоне.

Задача решается тем, что предлагается способ разупрочнения угольного пласта, включающий бурение скважин по пласту в обрабатываемую зону, подачу в них диоксида углерода под давлением, создание и поддержание скважин под давлением не ниже порогового, в котором согласно изобретению давление в скважинах повышают выше порогового, но ниже гидроразрыва пласта, путем закачки в них воды до полного водонасыщения обрабатываемой зоны, после чего давление воды в скважинах увеличивают до гидроразрыва пласта и продолжают нагнетание воды до тех пор, пока давление в скважине не станет ниже порогового.

Повышение давления в скважинах выше порогового, но ниже гидроразрыва пласта путем закачки в них воды до полного водонасыщения обрабатываемой зоны позволяет наиболее интенсивно заполнить водой пороговый объем обрабатываемой зоны, сжимая диоксид углерода в порах до порогового давления, при котором происходит наиболее эффективное разупрочнение угольного пласта. При этом давлении воды не происходит гидроразрыв пласта, то есть образование магистральных трещин, что позволяет произвести равномерное водонасыщение обрабатываемой зоны. Применение воды вместо газа для создания давления в угольном массиве благодаря низкой проницаемости угля по воде позволяет повысить поровое давление в массиве до порогового и выше даже в нарушенных трещиноватых углях. На этом этапе обрабатываемая зона покрывается сетью мелких и средних трещин, рост и образование которых происходит благодаря снижению свободной поверхностной энергии диоксидом углерода, сжимаемым в порах и трещинах напорной водой до порогового давления, то есть давления, при котором происходит фазовый переход углекислого газа в жидкую фазу в микропорах и его интенсивное проникновение во вновь образуемые трещины с адсорбцией на новых поверхностях, препятствующей смыканию этих трещин. Нагнетаемая под давлением вода оказывает гидродинамическое воздействие на угольный массив с пониженной свободной энергией, что ведет к лавинообразному раскрытию пор и трещин.

На втором этапе давление воды в скважинах увеличивают до гидроразрыва пласта и продолжают нагнетание воды до тех пор пока давление в скважине не станет ниже порогового. Повышение давления воды до наступления гидроразрыва пласта обусловлено тем, что это давление является максимально возможным для конкретного участка угольного пласта, а следовательно работа по разупрочнению при этом давлении будет максимально интенсивной. При понижении давления воды ниже порогового диоксид углерода переходит в порах в газообразную фазу, и значительно снижается эффективность процесса трещинообразования.

Таким образом, хотя операция нагнетания в пласт воды и поддержание давления известна, в предлагаемом способе эта операция использована в совокупности с операцией нагнетания в пласт диоксида углерода с учетом особенностей взаимодействия диоксида углерода с углом, что позволяет получить новый технический эффект значительное разупрочнение, а в ряде случаев и диспергирование угольного пласта, при минимальных значениях расходов агентов и энергозатрат.

Способ реализуется следующим образом. Из горной выработки, например, штрека, бурятся по угольному пласту скважины на расстоянии 4-6 м друг от друга. Если предусматривается гидромониторная выемка угля, то скважины бурятся с опережением фронта очистных работ в наиболее прочную часть пласта и по наиболее удаленной от гидромонитора зоне. Устье скважин герметизируется на глубину 1,5-2 м герметизаторами типа "Таурус". В скважины производят подачу диоксида углерода, например, из стандартного шестидесятилитрового баллона. При длине скважин 20 м и радиусе обработки 2,5 м, объем обрабатываемой зоны составит около 400 м³ угля. При эффективной пористости 5% необходимо заполнить около 20 м³ пор, для чего достаточно 40 кг сжиженного диоксида углерода или приблизительно одного стандартного баллона. Обычно время закачки в скважину одного баллона составляет 30-45 мин. После этого производят нагнетание в скважину воды под давлением. На гидрошахтах вода берется из магистрали, идущей к гидромониторам, в которой вода находится под давлением 10-12 МПа. Для крепких каменных углей величина разупрочняющего порогового давления, до которого должен быть сжат в порах диоксид углерода, составляет около 3 МПа, а давление, при котором происходит гидроразрыв обработанного диоксидом углерода массива при высоте подэтажа 8-10 м, составляет 7-8 МПа. Таким образом, нагнетание воды для водонасыщения обрабатываемой зоны производится, например, при 5 МПа. При этом давлении и расходе воды около 20 м³/ч время водонасыщения обрабатываемой зоны составит около 60 мин. Об окончании этого этапа можно судить по выделению капель в радиусе 1-2 м от устья скважины на поверхности выработки. Затем давление в скважине повышают, пока не произойдет гидроразрыв пласта, сопровождающийся скачкообразным снижением давления воды в скважине, например с 9 до 6 МПа и интенсивным выходом воды по трещинам в горную выработку. Расход воды в момент гидроразрыва с учетом пропускной способности конкретной схемы водонагнетания будет максимальным, например, 30 м³/ч, и далее нагнетание производится при этом расходе до тех пор, пока давление в скважине из-за развития трещин в угольном массиве не снизится ниже значения разрушающего порогового, что есть 3 МПа. Обычно это время составляет 30-60 мин. Увеличение максимального расхода не является целесообразным, так как из-за большого водопоглощения по трещинам не увеличивается давление воды в скважине с ростом ее расхода. Подачу воды прекращают, из скважины извлекают герметизатор, и процесс разупрочнения считается завершенным.

В наиболее близком аналоге давление в обрабатываемой зоне создается нагнетанием диоксида углерода в скважину, поэтому его расход определяется газовой проницаемостью, для создания в обрабатываемой зоне порогового давления суммарный расход диоксида углерода будет в сотни и тысячи раз превышать поровый объем. В предлагаемом способе количество диоксида углерода принимается равным поровому объему обрабатываемой зоны, а пороговое давление создается нагнетанием в скважины воды, которая имеет низкую проницаемость в угольном пласте.

Как показали лабораторные и шахтные испытания, этого количества диоксида углерода достаточно для адсорбции на поверхности пор и вновь образуемых трещин, благодаря чему после прекращения подачи воды трещины в обрабатываемой зоне не смыкаются.

Для крепких углей (до 3-3,5 М.М.Протодьяконову) предел прочности в обрабатываемой зоне по замерам в контрольных скважинах был снижен в радиусе до 3 м в 2-4 раза.

Второе изобретение также относится к области горного дела, а точнее касается способа подготовки угольного массива к выемке, и близко по технической сущности и достигаемому результату первому варианту, отличаясь от него технологической схемой исполнения.

Известен способ гидрорыхления углей, заключающийся в циклическом нагнетании воды в специально пробуренные скважины. Максимальное давление при циклическом нагнетании постоянно и не превышает 90% давления гидроразрыва. (Столяров Г. П. Повышение эффективности разупрочнения угольного массива. - Повышение эффективности разрушения горных пород. Сб. научных трудов. Институт геотехнической механики. Киев: Наукова думка, 1991, с.64). В результате такого воздействия массив разупрочняется, покрываясь сетью трещин вокруг скважины, при этом в несколько раз уменьшается время воздействия на массив по сравнению со стационарным воздействием.

Однако существенным недостатком этого способа является небольшая глубина воздействия, величина которого не превышает нескольких десятков сантиметров от нагнетательной скважины. Вода из-за плохой смачиваемости угля не проникает в микротрещины и микропоры, а после снятия давления происходит смыкание образовавшихся трещин. Таким образом, применение данного способа разупрочнения угольного пласта не будет эффективным.

Наиболее близким аналогом данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ разупрочнения угольного пласта, включающий бурение скважины по пласту, подачу в них диоксида углерода под давлением равным или больше порогового и выдерживание скважин при этом давлении [2] Недостатком данного способа является невозможность создания давления 3 МПа и более, а также его поддержание в течение нескольких часов в пласте, имеющем участки трещиноватого угля, так как проницаемость по газу будет превышать разумные технические возможности нагнетания диоксида углерода в скважины. При этом за счет адсорбции диоксида углерода, хотя и происходит снижение свободной поверхностной энергии в порах и трещинах пласта, но из-за низкой плотности газа работа, связанная с образованием и ростом новых трещин, будет незначительна, что делает весь способ малоэффективным.

В основу изобретения положена задача разработать способ разупрочнения угольного пласта на основе комбинированного воздействия на пласт диоксида углерода и воды, нагнетаемой в определенном циклическом режиме, что позволит повысить эффективность и интенсифицировать данный способ подготовки угольного пласта к выемке.

Задача решается тем, что предлагается способ разупрочнения угольного пласта, включающий бурение скважин по пласту в обрабатываемую зону, подачу в них диоксида углерода под давлением, создание и поддержание скважин под давлением не ниже порогового, в котором согласно изобретению давление в скважинах повышают выше порогового, но ниже гидроразрыва пласта путем закачки в них воды до полного водонасыщения обрабатываемой зоны, после чего давление воды в скважинах увеличивают до гидроразрыва пласта, затем периодически прекращают подачу воды в скважины и вновь нагнетают до достижения максимального давления, пока оно не станет ниже порогового.

Операция, заключающаяся в периодическом прекращении подачи воды в скважины и повторном нагнетании до достижения максимального давления ниже порогового, позволяет повысить эффективность и интенсивность процесса разупрочнения угольного пласта. При резком сбросе давления воды в скважине, происходящем при прекращении ее подачи, уголь в обрабатываемой зоне подвергается изменяющемуся по направлению динамическому воздействию, которое приводит не только к интенсивному развитию трещин, но и к отрыву мелких частиц угля (диспергированию угля). Эти частицы при последующем нагнетании воды переносятся в трещины гидроразрыва, заполняя их. Это в свою очередь уменьшает расход воды, проходящей по крупным и средним трещинам, в результате чего давление воды в массиве возрастает, и энергия нагнетаемой воды расходуется на образование новых трещин.

В каждом последующем цикле нагнетания воды в скважину величина максимального давления будет снижаться, так как из-за образования трещин проницаемость пласта повышается. Когда максимальное давление воды в скважине станет ниже порогового, процесс разупрочнения будет уже неэффективным. В момент гидроразрыва пласта из-за скачкообразного увеличения проницаемости будет максимальный расход воды, определяемый техническими возможностями нагнетательной системы, и величина максимального расхода будет постоянной в каждом цикле.

Способ реализуется следующим образом. Из горной выработки, например штрека, по угольному пласту бурятся скважины на расстоянии 4-6 м друг от друга. Устье скважин герметизируется на глубину 1,5-2 м герметизитором типа "Таурус", который соединен системой высоконапорных шлангов с запорной арматурой с баллонами с диоксидом углерода и высоконапорным водоводом. Сначала производят подачу в скважину диоксида углерода. При длине скважины 20 м и радиусе отработки 2,5 м, объем обрабатываемой зоны составит около 400 м³ угля. Для угля с пористостью 5% поровый объем обрабатываемой зоны составит 20 м³, поэтому для обработки этой зоны достаточно стандартного шестидесятилитрового баллона с диоксидом углерода под давлением 7 МПа. Обычно время закачки в скважину одного баллона составляет 30-45 мин. После этого баллоны закрываются, и производят нагнетание в скважину воды под давлением выше порогового, но ниже давления гидроразрыва пласта. Для крепких углей величина разупрочняющего порогового давления составляет около 3 МПа, а давление, при котором происходит гидроразрыв обработанного диоксидом углерода угольного пласта, например, при системе разработки с подэтажным обрушением, составляет 7-8 МПа. Таким образом, нагнетание воды для водонасыщения обрабатываемой зоны производится, например, при давлении 5 МПа. При этом давлении и расходе воды 20 м³/ч время водонасыщения порового объема обрабатываемой зоны составит 60 мин. Затем давление в скважине повышают, например до 10 МПа, пока не произойдет гидроразрыв пласта, сопровождающийся скачкообразным снижением давления воды в скважине, например, до 7 МПа и интенсивным выходом воды по трещинам в горные выработки. После этого прекращают подачу воды в скважину.

Резкое снижение давления в обрабатываемой зоне сопровождается фазовым переходом диоксида углерода при переходе порогового значения давления из жидкого в газообразное состояние с резким увеличением объема и давления газа в порах. Это приводит к разрушению угля внутри обрабатываемого массива (диспергированию) как за счет гидродинамического, так и за счет газодинамического воздействия.

Повторное нагнетание воды в скважину будет сопровождаться возрастанием давления до 5-6 МПа с фазовым переходом диоксида углерода при превышении порогового значения 3 МПа из газообразного в жидкое состояние. Снижение максимального давления воды, при котором происходит повторный гидроразрыв, связано с повышением проницаемости обрабатываемой зоны благодаря вновь образованным порам и трещинам. Прекращение подачи воды также будет сопровождаться резким газо- и гидродинамическим воздействием на угольный массив, приводящем к образованию новых трещин и диспергированию пласта. Циклическая подача воды производится до тех пор, пока максимальное давление в скважине не будет ниже порогового значения, и следовательно процесс разрушения с участием диоксида углерода перестанет быть эффективным.

Этот вариант способа позволяет значительно снизить время, затрачиваемое для разупрочнения обрабатываемой зоны. Обычно снижение максимального давления до величины порогового происходит за 3-5 циклов. Кроме этого энергетические затраты на его осуществление и расход воды снижаются в 2-3 раза. Однако по сравнению с первым вариантом этот способ требует активного участия человека при управлении процессом.

На шахте "Тырганская" АО "Угольная компания Прокопьевскуголь", где проводились шахтные испытания предлагаемых способов, производительность гидромониторного размыва угля возросла в 2 раза, а потери угля от недомыва снизились в 3-4 раза.

Изобретение найдет применение при подготовке угольного массива к выемке при подземном, открытом и скважинном способах добычи, как способ борьбы с внезапными выбросами, горными ударами, пучениями пород, при подземной разработке угля, а также для дегазации угольного пласта.

Формула изобретения

1. Способ разупрочнения угольного пласта, включающий бурение скважины по пласту в обрабатываемую зону, подачу в них диоксида углерода под давлением, создание и поддержание скважин под давлением не ниже порогового, отличающийся тем, что давление в скважинах повышают выше порогового, но ниже гидроразрыва пласта путем закачки в них воды до полного водонасыщения обрабатываемой зоны, после чего давление воды в скважинах увеличивают до гидроразрыва пласта и продолжают нагнетание воды до тех пор, пока давление в скважине не станет ниже порогового.

2. Способ разупрочнения угольного пласта, включающий бурение скважин по пласту в обрабатываемую зону, подачу в них диоксида углерода под давлением, создание и поддержание скважин под давлением не ниже порогового, отличающийся тем, что давление в скважинах повышают выше порогового, но ниже гидроразрыва пласта путем закачки в них воды до полного водонасыщения обрабатываемой зоны, после чего давление воды в скважинах увеличивают до гидроразрыва пласта, затем периодически прекращают подачу воды в скважины и вновь нагнетают до максимально достижимого давления гидроразрыва, пока оно не станет ниже порогового.